JP2016164939A - ドライエッチング方法及びこれを経て製造される圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すことが可能なドライエッチング方法及びこれを経て製造される圧電素子を提供する。【解決手段】ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０５を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とするか、又はニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０５を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とする。【選択図】図３
Description
本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板を加工して圧電素子を製造する過程でニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施すためのドライエッチング方法及びこれを経て製造される圧電素子に関する。
圧電体は、用途別に種々の圧電素子に加工されて利用されており、圧電体に電圧が印加されることにより応力を発生させるアクチュエータや逆に圧電体に応力が付与されることにより電圧を発生させるセンサ等の機能性電子部品として広く利用されている。
従来、圧電体を製造する際は、圧電材料として主成分が鉛［Ｐｂ］であるチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3；ＰＺＴ］を使用していると共に製造方法として焼結法を採用している。チタン酸ジルコン酸鉛は、ペロブスカイト型酸化物強誘電体であり、顕著な圧電特性を発揮することから、圧電材料として非常に重宝されている。
近年、圧電素子に関しても他の電子部品と同様に小型化と高性能化とが強く求められているが、焼結法によって圧電体を製造する場合は、圧電体の厚さを１０μｍ以下に薄化することにより圧電体の厚さが圧電材料を構成する結晶粒の大きさに近付くことから、結晶粒の大きさに依存する圧電特性や誘電特性等に悪い影響が出る。
具体的に言えば、焼結法は、圧電体を含む圧電基板を加工して複数個の圧電素子を製造する際に、圧電基板の面内で各圧電素子の圧電特性や誘電特性が不均一化したり、圧電素子が短寿命化したり、圧電素子を製造する過程で発生する劣化が顕在化したりするという欠点がある。
以上の理由から、焼結法の代替として、成膜技術を利用する製造方法並びに化学的エッチングや物理的エッチング等の微細加工技術を利用する製造方法が開発されている。
応用として、高周波スパッタリング法を利用する製造方法を経て得られるチタン酸ジルコン酸鉛圧電薄膜を含む圧電基板を加工することにより、高速高精細のインクジェットプリンタに使用されるプリンタヘッド用アクチュエータや小型低価格のジャイロセンサの実用化も実現されている（例えば、特許文献１を参照）。
ところが、チタン酸ジルコン酸鉛は、先記の通り、鉛を含有している鉛系圧電材料であるため、環境問題に対する配慮から圧電材料として好ましいとは言えない実情があり、鉛を含有していない非鉛系圧電材料の開発が強く望まれている。
現在、多岐に亘る非鉛系圧電材料の開発が進められているが、なかでも、ニオブ酸カリウムナトリウム［（ＫＮａ）ＮｂＯ3；ＫＮＮ］は、チタン酸ジルコン酸鉛と同様に、ペロブスカイト型酸化物強誘電体であり、顕著な圧電特性を発揮することから、非鉛系圧電材料の有力な候補として期待されている（例えば、特許文献２を参照）。
Chan Min Kang、他3名、「Etching Characteristics of (Na0.5K0.5)NbO3 Thin Films in an Inductively Coupled Cl2/Ar Plasma」、Ferroelectrics、2007年、第357巻、第1号、p.179-184
堀切、他5名、「(K,Na)NbO3圧電薄膜の微細加工特性」、第71回応用物理学会学術講演会講演予稿集、2010年
圧電薄膜を含む圧電基板を加工してアクチュエータやセンサ等の圧電素子を製造する場合は、圧電基板に高精度な微細加工を施すことにより、梁、音叉、又は円筒等の種々の形状に加工すると共に上部や周辺部に電気回路を形成するため、圧電薄膜の外縁断面におけるテーパ角度を精密に制御することにより、圧電素子と電気回路とを接続する配線の断線不良を回避できる微細加工技術が必要となる。
ところが、ニオブ酸カリウムナトリウムはチタン酸ジルコン酸鉛と比較して新規な圧電材料であることから、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すための微細加工技術の知見が乏しく（例えば、非特許文献１を参照）、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板を加工する方法の確立が未だ不充分であり、現在のところ、小型化と高性能化とを両立する圧電素子を高歩留で製造することは困難である。
ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すための微細加工技術としては、希ガスと反応性ガスとをエッチングガスとしてニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施すためのドライエッチング方法が知られている（例えば、非特許文献２を参照）。
しかしながら、ドライエッチング方法においては、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜の断面形状や上下面形状を精密に制御したり、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜を含む圧電基板を高い再現性で加工したりすることは困難である。
特に、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜のサイドエッチングを適切に制御することができないため、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の外縁断面におけるテーパ角度が９０°を超えてニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の外縁断面が逆テーパ形状やオーバーハング形状となり、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜が下部電極等から剥離することがあり、所望の圧電特性を発現する圧電素子を高歩留で製造することが難しい。
そこで、本発明の目的は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すことが可能なドライエッチング方法及びこれを経て製造される圧電素子を提供することにある。
本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とするドライエッチング方法である。
また、本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際にアルゴンガス流量に対するオクタフルオロシクロブタンガス流量の割合を２０％未満とするドライエッチング方法である。
また、本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とするドライエッチング方法である。
また、本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際にアルゴンガス分圧に対するオクタフルオロシクロブタンガス分圧の割合を２０％未満とするドライエッチング方法である。
前記圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に前記圧電基板の外縁を保護することが好ましい。
前記圧電基板に反応性イオンエッチングを施す前に前記ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の表面にマスクパターンを形成することが好ましい。
前記マスクパターンは、フォトレジスト膜、金属膜、酸化物膜、及び／又は化合物膜からなることが好ましい。
前記マスクパターンは、単層膜、積層膜、又は複合膜からなることが好ましい。
また、本発明は、本発明のドライエッチング方法を経て製造される圧電素子であって、前記ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の外縁断面におけるテーパ角度が９０°未満である圧電素子である。
電圧若しくは電界を検知する検知手段又は電圧若しくは電界を印加する印加手段を備えることが好ましい。
本発明によれば、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すことが可能なドライエッチング方法及びこれを経て製造される圧電素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム［（ＮａxＫyＬｉz）ＮｂＯ3；０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１，０≦ｚ≦０．２，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１；ｚ＝０の時はニオブ酸カリウムナトリウム］圧電薄膜を含む圧電基板を加工して圧電素子を製造する過程でニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施すための方法であり、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とするか、又はニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とすることを特徴としている。
希ガス（不活性ガス）としては、アルゴン［Ａｒ］ガス、ヘリウム［Ｈｅ］ガス、ネオン［Ｎｅ］ガス、クリプトン［Ｋｒ］ガス、又はキセノン［Ｘｅ］ガス等が挙げられ、反応性ガスとしては、オクタフルオロシクロブタン［Ｃ4Ｆ8］ガス、トリフルオロメタン［ＣＨＦ3］ガス、ヘキサフルオロエタン［Ｃ2Ｆ6］ガス、テトラフルオロメタン［ＣＦ4］ガス、又はサルファヘキサフルオライド［ＳＦ6］ガス等の弗素系ガスや有機系ガスが挙げられる。
また、反応性イオンエッチング装置としては、誘導結合型反応性イオンエッチング（Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching；ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置や容量結合型反応性イオンエッチング（Capacitively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching；ＣＣＰ−ＲＩＥ）装置等を使用することができる。
本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法においては、圧電基板に反応性イオンエッチングを施す前にニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の表面にマスクパターンを形成し、しかる後、圧電基板に反応性イオンエッチングを施すことにより、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を所望の形状にエッチングすることが可能となる。
マスクパターンとしては、フォトレジスト膜、金属膜（例えば、銀［Ａｇ］膜等の貴金属膜、又はクロム［Ｃｒ］膜、鉄［Ｆｅ］膜、コバルト［Ｃｏ］膜、ニッケル［Ｎｉ］膜、若しくは銅［Ｃｕ］膜等の遷移金属膜）、酸化物膜（例えば、チタン酸化物［ＴｉＯx］膜、ニッケル酸化物［ＮｉＯx］膜、銅酸化物［ＣｕＯx］膜、アルミニウム酸化物［ＡｌＯx］膜、イリジウム酸化物［ＩｒＯx］膜、又は珪素酸化物［ＳｉＯx］膜）、及び／又は化合物膜等の有機材料膜や無機材料膜を、単層膜、積層膜、又は複合膜として採用することができる。
また、本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法においては、圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に圧電基板の外縁を保護することにより、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の微細加工を圧電基板の面内で均一化することが可能となり、結果として、圧電基板の面内で各圧電素子の圧電特性や誘電特性を均一化することが可能となる。圧電基板の外縁を保護する方法としては、平板形状の治具本体と、治具本体の中央に形成されると共に圧電基板が設置される設置孔と、設置孔の内縁に形成されると共に圧電基板の外縁を被覆する保護部と、を備えているドライエッチング治具を使用する方法が挙げられる。
治具本体は、外縁に鍔部が形成された円環平板形状等を呈しており、酸化アルミニウム［Ａｌ2Ｏ3］や酸化ジルコニウム［ＺｒＯ2］（安定化ジルコニア［ＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3］を含む）等の酸化物、又は石英ガラス［ＳｉＯ2］からなる。特に、石英ガラスのバルク体は、安価であり、且つ反応性イオンエッチングに対して高い耐久性を発揮するため、治具本体の材料として最も好適である。
また、治具本体は、表面に形成された酸化物薄膜を有する。酸化物薄膜は、珪素［Ｓｉ］酸化物薄膜、アルミニウム［Ａｌ］酸化物薄膜、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を構成する金属元素のうち少なくとも一つ若しくは遷移金属元素のうち少なくとも一つを含む酸化物薄膜、又は有機系（例えば、炭素［Ｃ］系）薄膜からなる。
設置孔は、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の微細加工を圧電基板の面内で均一化するために、反応性イオンエッチングを施す対象である圧電基板に適合する形状に最適化されている。例えば、円形板状の圧電基板を使用する場合は設置孔が円形状に形成されたドライエッチング治具を使用し、矩形板状の圧電基板を使用する場合は設置孔が矩形状に形成されたドライエッチング治具を使用することが好ましい。
保護部は、圧電基板の外縁の全部又は一部を被覆し、設置孔と共に設置孔に設置された圧電基板を押さえる設置棚として機能する。例えば、ドライエッチング治具に対する圧電基板の設置と回収の利便性の向上を図るため、設置孔の内縁に沿って複数個の溝（例えば、１２０度毎に合計３個の矩形溝）が形成されているドライエッチング治具を使用しても良く、この場合は保護部により圧電基板の外縁の一部のみが被覆されることとなる。
なお、設置孔の内縁に沿って溝が形成されたドライエッチング治具においては、溝の近傍で反応性ガスの乱流が発生したり、プラズマ密度やプラズマ分布が不均一となったりすることがあるため、圧電基板の設置と回収の利便性を考慮しなければ溝の無いドライエッチング治具が最も有効な構造であると言える。
本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法を経て圧電素子を形成することにより、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の外縁断面におけるテーパ角度が９０°未満であり、電圧若しくは電界を検知する検知手段又は電圧若しくは電界を印加する印加手段を備える圧電素子、例えば、環境負荷が小さい、プリンタヘッド用アクチュエータ、ジャイロセンサ、又はハードディスク用ヘッドポジションセンサ等の従来品と同等以上の圧電素子を高歩留で製造することが可能となる。
以上の通り、本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法においては、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とするか、又はニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とすることにより、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に高精度な微細加工を施すことが可能となる。
本発明者等は、本発明に想到する過程にて、図１及び図２に示す通り、基板１０１の表面に密着層１０２を介して下部電極１０３を形成すると共に下部電極１０３の表面にニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を形成することにより、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板を作製し、圧電基板の表面にマスクパターンを形成し、反応性ガスのみをエッチングガスとしてマスクパターン形成後の圧電基板に反応性イオンエッチングを施すと共にマスクパターンを除去し、マスクパターン除去後の圧電基板におけるニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の断面形状を観察した。
反応性ガスのみをエッチングガスとしてマスクパターン形成後の圧電基板に反応性イオンエッチングを施す場合は、圧電基板を微細加工する際に掛かる時間を短縮することができると共に下部電極１０３等に対するエッチング選択比を高くすることができるため、圧電素子を短時間で大量に製造することが可能となるが、反応性ガスとニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４との反応が急速に進行することから、下部電極１０３とニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４との間の界面で剥離や脱落が発生する確率やニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の外縁断面が逆テーパ形状やオーバーハング形状となる確率（加工不良の確率）が高く、所望の圧電特性や誘電特性を発現する圧電素子を高歩留で製造することが困難であった（図１を参照）。
以上の観察から、本発明者等は、加工不良の確率が反応性ガスの希釈状態（希ガスに対する反応性ガスの混合比（例えば、反応性ガス流量／希ガス流量や反応性ガス分圧／希ガス分圧））に依存することを突き止め、反応性ガスの希釈状態を厳密に制御することにより、下部電極１０３とニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４との間の界面で剥離や脱落が発生することを抑制すると共にニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の外縁断面を順テーパ形状とすることが可能となる本発明に想到した（図２を参照）。
次に、本発明の具体例を説明する。
［圧電基板の作製］
図３に示す通り、高周波マグネトロンスパッタリング装置を使用して、熱酸化膜付珪素基板（面方位：（１００）、基板厚：０．５２５ｍｍ、熱酸化膜厚：２０５ｎｍ、基板サイズ：４インチ）からなる基板１０１の表面に密着層（原料：チタン［Ｔｉ］、層厚：２．３ｎｍ）１０２を介して下部電極（原料：プラチナ［Ｐｔ］、電極厚：２１５ｎｍ）１０３を形成すると共に下部電極１０３の表面にニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を形成することにより、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を含む圧電基板１００を作製した。
図３に示す通り、高周波マグネトロンスパッタリング装置を使用して、熱酸化膜付珪素基板（面方位：（１００）、基板厚：０．５２５ｍｍ、熱酸化膜厚：２０５ｎｍ、基板サイズ：４インチ）からなる基板１０１の表面に密着層（原料：チタン［Ｔｉ］、層厚：２．３ｎｍ）１０２を介して下部電極（原料：プラチナ［Ｐｔ］、電極厚：２１５ｎｍ）１０３を形成すると共に下部電極１０３の表面にニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を形成することにより、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を含む圧電基板１００を作製した。
ここでは、基板温度を１００度以上３５０度以下とし、放電出力を２００Ｗとし、装置内雰囲気をアルゴンガス雰囲気とし、装置内圧力を２．５Ｐａとし、密着層の成膜時間を１分以上３分以下とし、下部電極の成膜時間を１０分として密着層１０２と下部電極１０３とを成膜した。このとき、下部電極１０３の算術平均表面粗さＲａは０．８６ｎｍ以下であった。
また、ターゲットとしてＮａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．４２５以上０．７３０以下のニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を使用し、基板温度を５２０度とし、放電出力を７００Ｗとし、酸素［Ｏ2］ガス／アルゴンガスの混合比を０．００５とし、装置内圧力を１．３Ｐａとしてニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を成膜した。このとき、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の膜厚が約２μｍとなるように成膜時間を調整した。
［マスクパターンの形成］
図４に示す通り、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の表面にＬＳＩ用ポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ−８００；東京応化工業株式会社製）を塗布し、しかる後、露光処理と現像処理とを施して圧電基板１００の表面にマスクパターン１０６を形成した。
図４に示す通り、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の表面にＬＳＩ用ポジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ−８００；東京応化工業株式会社製）を塗布し、しかる後、露光処理と現像処理とを施して圧電基板１００の表面にマスクパターン１０６を形成した。
［反応性イオンエッチングの実施］
図５に示す通り、誘導結合型ドライエッチング装置（ＥＩＳ−７００；株式会社エリオニクス製）を使用し、希ガスのアルゴンガスと反応性ガスのオクタフルオロシクロブタンガスとをエッチングガスとし、マスクパターン形成後の圧電基板１００に微細加工を施した。アルゴンガスとオクタフルオロシクロブタンガスとをエッチングガスとする理由は、プラチナを原料とする下部電極１０３に対するエッチング選択比を向上させることができるからである。
図５に示す通り、誘導結合型ドライエッチング装置（ＥＩＳ−７００；株式会社エリオニクス製）を使用し、希ガスのアルゴンガスと反応性ガスのオクタフルオロシクロブタンガスとをエッチングガスとし、マスクパターン形成後の圧電基板１００に微細加工を施した。アルゴンガスとオクタフルオロシクロブタンガスとをエッチングガスとする理由は、プラチナを原料とする下部電極１０３に対するエッチング選択比を向上させることができるからである。
ここでは、マスクパターン形成後の圧電基板１００をステンレス［ＳＵＳ］と石英ガラスとからなるドライエッチング治具で支持し、ターボ分子ポンプにより装置内真空度が１０-2Ｐａ以下となるまで排気し、しかる後、アルゴンガス流量とオクタフルオロシクロブタンガス流量とをｓｃｃｍ単位で変化させることにより、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比を厳密に制御した。
なお、装置内のガス置換を充分に実施するため、プラズマが発生する前に５分程度の待機時間を設け、しかる後、アンテナ出力を８００Ｗとし、バイアス出力を５０Ｗとし、装置内圧力を０．１Ｐａとして１２分以上１４分以下程度に亘り圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施した。
［マスクパターンの除去］
図６に示す通り、酸素プラズマによるアッシングとアルコール［例えば、ＣＨ3ＯＨやＣ2Ｏ5ＯＨ］やアセトン［例えば、ＣＨ3ＣＯＣＨ3］等の有機溶剤を使用する超音波洗浄を実施することにより、残存するマスクパターン１０６や微細加工時に付着した汚染物質を除去した。
図６に示す通り、酸素プラズマによるアッシングとアルコール［例えば、ＣＨ3ＯＨやＣ2Ｏ5ＯＨ］やアセトン［例えば、ＣＨ3ＣＯＣＨ3］等の有機溶剤を使用する超音波洗浄を実施することにより、残存するマスクパターン１０６や微細加工時に付着した汚染物質を除去した。
［実施例と比較例の説明］
表１に示す通り、マスクパターン形成後の圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際のアルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比を異ならせることにより、実施例１から４と比較例１，２の試料を作製した。
表１に示す通り、マスクパターン形成後の圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際のアルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比を異ならせることにより、実施例１から４と比較例１，２の試料を作製した。
［ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜における外縁断面の評価］
ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度が９０°（直角）である場合は、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５がマスクパターン１０６と同一のサイズとなっていることからニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の上面における加工精度は良好である。
ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度が９０°（直角）である場合は、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５がマスクパターン１０６と同一のサイズとなっていることからニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の上面における加工精度は良好である。
しかしながら、上部電極から配線に亘る導通層や絶縁層においては、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の端面で応力集中や歪みが大きくなり、断線不良や剥離不良等が発生し易くなるため、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度を９０°未満とすることが望ましい。
従って、圧電基板１００に微細加工を施す際は加工精度の適切な維持とニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度の制御とを両立させる必要がある。
ここでは、図７に示す通り、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy；ＳＥＭ）により、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比のみが異なる試料に関してニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５における外縁断面の観察を実施し、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θに基づいて評価した。
表１及び図８から分かる通り、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比が２０％未満である実施例１から４の試料は何れもニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θが９０°未満であり、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面を順テーパ形状とすることが可能であった。
このとき、図９に示す通り、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比を小さくする程、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θを小さくすることができた。
但し、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の端面が急峻な形状である場合は、圧電素子の小型化による配線の極細化に伴い断線不良が頻発することが懸念されるため、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θを７０°程度とすることが望ましいこともある。
この場合は、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比を１７％程度とすることにより、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θを安定的に７０°程度とすることが可能となる。
なお、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比が２０％以上である場合でも、酸素充填処理、組成、構造等の膜改質を施すことにより、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θを９０°未満とすることが可能となることがある。
また、逆に、アルゴンガスに対するオクタフルオロシクロブタンガスの混合比が２０％未満である場合でも、酸素充填処理、組成、構造等の膜改質を施すことにより、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５の外縁断面におけるテーパ角度θがばらついて９０°以上となる虞もある。
更に、本実施例においては、ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜１０５を成膜したが、リチウムを構成元素として含むニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を成膜しても同様の結果が得られる。
以上の通り、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際にニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の外縁断面が所望の形状となるように、即ち、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の外縁断面におけるテーパ角度が９０°未満となるように、高精度な微細加工を施すためには、主に化学反応に寄与する反応性ガスを適切に希釈する必要がある。
特に、希ガスに対する反応性ガスの混合比を２０％未満とすることにより、プラズマ反応室（加工室）における反応性ガス濃度が低下し、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４と反応性ガスとの急激な化学反応を緩和することができるため、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の外縁断面を順テーパ形状とすると共に加工不良の確率を低くすることが可能となる。
また、希釈ガス自身も物理エッチングによるニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の加工が可能であるため、反応性ガス濃度の低下によるエッチングレートの減速を抑制することができ、量産上のスループット低下の懸念を払拭することが可能となる。
以上の理由から、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とするか、又はニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とするドライエッチング方法により、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板１００に高精度な微細加工を施すことが可能となる。
従って、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４を含む圧電基板１００に反応性イオンエッチングを施す際に希ガスに対する反応性ガスの混合比を適切に制御することにより、反応性イオンエッチング実施後の圧電基板１００においてニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜１０４の局所的な形状歪みに起因する、周辺構造体の破損、上部に形成される積層体（多層膜）の不均一化、断線不良、又は後工程における不良発生の確率が低くなり、高歩留で高信頼性の圧電素子を製造することが可能となる。
１００ 圧電基板
１０１ 基板
１０２ 密着層
１０３ 下部電極
１０４ ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜
１０５ ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜
１０６ マスクパターン
１０１ 基板
１０２ 密着層
１０３ 下部電極
１０４ ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜
１０５ ニオブ酸カリウムナトリウム圧電薄膜
１０６ マスクパターン
Claims (10)
- ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス流量に対する反応性ガス流量の割合を２０％未満とすることを特徴とするドライエッチング方法。
- ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際にアルゴンガス流量に対するオクタフルオロシクロブタンガス流量の割合を２０％未満とすることを特徴とするドライエッチング方法。
- ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に希ガス分圧に対する反応性ガス分圧の割合を２０％未満とすることを特徴とするドライエッチング方法。
- ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜を含む圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際にアルゴンガス分圧に対するオクタフルオロシクロブタンガス分圧の割合を２０％未満とすることを特徴とするドライエッチング方法。
- 前記圧電基板に反応性イオンエッチングを施す際に前記圧電基板の外縁を保護する請求項１から４の何れか一項に記載のドライエッチング方法。
- 前記圧電基板に反応性イオンエッチングを施す前に前記ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の表面にマスクパターンを形成する請求項１から５の何れか一項に記載のドライエッチング方法。
- 前記マスクパターンは、フォトレジスト膜、金属膜、酸化物膜、及び／又は化合物膜からなる請求項６に記載のドライエッチング方法。
- 前記マスクパターンは、単層膜、積層膜、又は複合膜からなる請求項６又は７に記載のドライエッチング方法。
- 請求項１から８の何れか一項に記載のドライエッチング方法を経て製造される圧電素子であって、
前記ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム圧電薄膜の外縁断面におけるテーパ角度が９０°未満であることを特徴とする圧電素子。 - 電圧若しくは電界を検知する検知手段又は電圧若しくは電界を印加する印加手段を備える請求項９に記載の圧電素子。
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2015
- 2015-03-06 JP JP2015045030A patent/JP2016164939A/ja active Pending
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