JP2018078181A - 強誘電体膜の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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図2は、液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの振動板及び圧電素子の層構造の一例を示す断面図である。
CSD法を代表するゾルゲル法は、金属の有機または無機化合物を溶液中で加水分解、続いて重縮合反応を進めさせることで、金属−酸素−金属(M−O−M)の結合を有する重合体を形成し、これを加熱することによりセラミックスを作製する方法である。M−O−Mの重合度が低い場合は、「ゾル」と呼ばれる液体であるが、重縮合が進むと「ゲル」と呼ばれる固体となる。このゾルゲル法で強誘電体膜であるPLZT結晶膜を作製しようとする場合、PLZT結晶を形成する金属、つまり鉛(Pb)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)それぞれの化合物をひとつの溶液中で加水分解、続いて重縮合反応を進めた溶液、つまりゾルを準備し、これを下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板上に塗布し、加熱すれば良い。ちなみに、前記ゾルがPLZT結晶膜を得るための前駆体液となる。
シリコンウェハ基板上の電極(下部電極)上に、形成するPLZT結晶膜の複合酸化物組成に合わせて合成されたPLZT結晶膜成膜用の前駆体液をスピンコート法等によって塗布し、PLZT結晶膜の前駆体液塗膜を基板上に形成する(塗布工程)。このPLZT結晶膜の前駆体液塗膜を第一の加熱温度(乾燥温度)まで加熱して塗膜中に残された溶媒を蒸発させ、PLZT結晶膜の前駆体液塗膜を乾燥させた乾燥膜を基板上に形成する(乾燥工程)。ついで、第一の加熱温度(乾燥温度)より高い第二の加熱温度(熱分解温度)まで乾燥膜を加熱して乾燥膜中の有機成分を分解し、複合酸化物のアモルファス膜を基板上に形成する(熱分解工程あるいは脱脂工程とも称される。)。次いで、基板を室温程度になるよう冷却する(冷却工程)。
シリコンウェハ基板上に形成した複合酸化物からなる圧電体結晶膜(強誘電体膜)を液体吐出ヘッド等に用いられる圧電素子に適用し、要求されるたわみ力を発生させるには、ある程度以上の厚み(好ましくは、1〜数μmの厚み)を有する圧電体結晶膜を形成する必要がある。ここで、前駆体液の塗布工程、乾燥工程、熱分解工程、結晶化工程からなるCSD法は、プロセスに投入される前駆体液の液体が、各工程を経るごとに、乾燥膜、アモルファス膜、結晶膜と、体積の収縮を伴いながらその状態を変化させるプロセスを経る。そのため、一度の工程フローでμmオーダーの厚い圧電体膜を得ようとすると、できあがった圧電体結晶膜に無数のクラックが発生するという問題が生じる。
図6は、本実施形態にかかるPLZT結晶膜163を形成する自動成膜装置600の概略構成図である。
自動成膜装置600は、下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板(図2では不図示)を1枚ずつ流動させる枚葉式装置である。自動成膜装置600は、シリコンウェハ基板を収納する収納部材601、シリコンウェハ基板を自動成膜装置600の各装置へ搬送する搬送装置602、基板の受け渡し位置ならびに各装置内での基板の位置決め・芯だしを行うアライナー603を備えている。また、PLZT結晶膜163の前駆体液をシリコンウェハ基板上に塗布するスピナー塗布装置604、塗布された前駆体液塗膜の乾燥を行うホットプレート605、乾燥膜の熱分解工程並びに結晶化工程の熱処理を行うRTA装置606を備えている。さらに、RTA装置606での熱処理後にウェハ冷却を行う冷却ステージ607を備えている。
スピナー塗布装置604は、シリコンウェハ基板204を吸着保持するスピナーチャック611、スピンドルモータと連結してスピナーチャック611に吸着保持されたシリコンウェハ基板204を、制御装置に入力されたプログラムに従って回転させるスピンドル612、前駆体液を収納して前駆体液を加圧ガスによって加圧する加圧容器614、加圧された前駆体液をアーム615の先端に装着されたノズル616まで流送する送液ライン617によって構成される。
次に、最も良好な強誘電特性並びに圧電特性を有することで知られるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の鉛(Pb)の8%相当をランタン(La)で置換したPLZT結晶膜163を、下地としてのPT(チタン酸鉛)の配向制御膜上にCSD法にて成膜する一実施例について説明する。
前記したPZT組成となる前駆体液を調合するために、出発材料として、酢酸鉛三水和物、酢酸ランタン水和物、ジルコニウムプロポキシド、チタニウムイソプロポキシド、共通溶媒として2−メトキシエタノールを採用し、以下に示す3種類の前駆体液(原液)を合成した。
(1)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:66:34の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
(2)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:60:40の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
(3)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:54:46の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
上述のように合成した3種類の前駆体液は、図7に示したスピナー塗布装置604の各加圧容器614−1,614−2,614−3にそれぞれセットされる(X=3)。そして、図6に示した自動成膜装置600の収納部材601に収納されたシリコンウェハ基板204は、搬送装置602により、まず始めにアライナー603によって基板の位置決め・芯だしがなされた後、スピナー塗布装置604へ投入され、第一加圧容器614−1を含む塗布システムを稼動させて1回目の前駆体液(1)を滴下する。その後、スピンドル612を最大3000rpmで回転させて前駆体液(1)の塗膜をシリコンウェハ基板204上に形成する(図3に示したフローチャートのX=1の塗布工程)。
このグラフには、図5に示した例(濃度比Zr/Tiが同じ前駆体液の例)のPLZT結晶膜についての結果も合わせて示してある。両者を比較すると、膜厚方向の組成均一性が悪い図5の例よりも、膜厚方向の組成均一性が高まった本実施例の方が、経時的な変位量の低下が抑制され、圧電アクチュエータの耐久性が高いものとなっている。
(態様A)
ゾルゲル法等の化学溶液堆積法を用いてシリコンウェハ基板204等の基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法において、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜であるPLZT結晶膜の前駆体液として、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが上層ほど低いものを用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させる工程を実施して、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする。
圧電素子の圧電材料として一般的に用いられているPZT結晶膜(強誘電体膜)は、その圧電素子の繰り返し動作によって徐々に圧電特性が低下する、いわゆる疲労現象が生じるという問題がある。この疲労現象が生じる原因については、様々なメカニズムが考察されているが、その中でも有力視されている原因のひとつに、PZT結晶膜の結晶中に存在する「鉛欠損」、また鉛欠損により生じた結晶中の電荷のアンバランスを解消するために生じる結晶中の「酸素欠陥」が挙げられる。
このような鉛欠損や酸素欠陥による不具合を解消する方法として、PZT結晶膜の結晶中の鉛(Pb)イオンが配位されるサイト(ペロブスカイト結晶構造のaサイト)の一部に、Pbイオンに近いイオン半径を有し、Pbイオン(+2)より大きい価数を有する他の金属イオンに置換させる方法が知られている。
本発明者らは、置換させる金属イオンとしてLaイオン(+3)を有力視しており、PZT結晶膜の結晶中の鉛(Pb)の一部をランタン(La)に置換する方法を、強誘電体膜の簡便かつ安価な成膜方法として知られるゾルゲル法やMOD法などの化学溶液堆積法(CSD法)により実現することを検討している。しかしながら、PZT結晶膜の鉛(Pb)の一部分をランタン(La)で置換したPLZT結晶膜を、通常の化学溶液堆積法を用いて成膜しようとしても、期待される効果が十分に得られないことが判明した。
その原因について検討したところ、上述したように、得られたPLZT結晶膜全体の組成は意図した通りの組成になっており、また、添加したランタン(La)はPLZT結晶膜全体に略均一に分布していた。しかしながら、PLZT結晶膜の膜厚方向において、ジルコニウム(Zr)及びチタニウム(Ti)が均一に分布していないことが判明した。詳しくは、化学溶液堆積法により成膜されるPLZT結晶膜は、積層方向上面に近いほど濃度比Zr/Tiが高いことが確認された。これは、結晶化の工程において、PLZT結晶膜の下面に近い領域ほどチタン原子が相対的に多くなり、上面に近い領域ほどジルコニウム原子が相対的に多く偏析する現象が生じたためである。そして、このような濃度比Zr/Tiの不均一性に起因して、PLZT結晶膜の期待される効果が阻害されているという結論を得た。
そこで、本態様においては、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜であるPLZT結晶膜を形成するにあたり、複数層のアモルファス層を積層してから結晶化させることとし、そのアモルファス層の各層を形成する際に用いる前駆体液として、濃度比Zr/Tiが上層のアモルファス層ほど低いものを用いるようにした。これにより、PLZT膜(結晶化前)を構成する複数層のアモルファス層は、下層のアモルファス層ほど濃度比Zr/Tiが高く、上層のアモルファス層ほど濃度比Zr/Tiが低くなったものとなる。
このような複数層のアモルファス層を結晶化する場合も、PLZT膜の下面に近い領域ほどチタン原子が相対的に多くなり、上面に近い領域ほどジルコニウム原子が相対的に多く偏析する現象が生じる。しかしながら、本態様では、上述したように、予め、下面に近い領域に位置するアモルファス層ではチタン原子が相対的に少なく(ジルコニウム原子が相対的に多く)、逆に上面に近い領域に位置するアモルファス層ではジルコニウム原子が相対的に少なく(チタン原子が相対的に多く)なっている。そのため、結晶化工程における偏析現象が相殺され、膜厚方向における組成の均一性が高められたPLZT結晶膜を得ることができる。
前記態様Aにおいて、前記前駆体液を塗布する塗布工程、塗布した前駆体液を乾燥させる乾燥工程、乾燥させて得られる前駆体乾燥膜を熱分解させる熱分解工程を含む一連の工程を複数回繰り返して、前記複数層のアモルファス層を積層させることを特徴とする。
これによれば、濃度比Zr/Tiが上層ほど低い前駆体液を用いて複数積層したアモルファス層を容易に作成することができる。
前記態様A又はBにおいて、前記強誘電体膜を、圧電素子の下部電極161が形成された基板上に成膜することを特徴とする。
これによれば、膜厚方向における組成の均一性が高められたPLZT結晶膜を用いた圧電素子を製造することができ、耐久性の高い圧電素子を得ることができる。なお、前記強誘電体膜を圧電素子の下部電極161の上に直接成膜する場合に限らず、下部電極161の上に配向制御膜を介して前記強誘電体膜を成膜するようにしてもよい。
ゾルゲル法等の化学溶液堆積法を用いてシリコンウェハ基板204等の基板上に強誘電体膜を成膜する自動成膜装置600等の強誘電体膜の製造装置において、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の前駆体液を基板上に塗布する加圧容器614、アーム615、ノズル616を含む塗布システム等の塗布手段と、前記塗布手段が塗布する前記前駆体液のジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiを変更する塗布システム切換手段等の前駆体液変更手段とを有し、前記濃度比Zr/Tiが上層ほど低い前駆体液を用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させて、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする。
12 ノズル板
13 液室
14 液室基板
15 振動板
16 圧電素子
161 下部電極
162 上部電極
163 PLZT結晶膜
204 シリコンウェハ基板
600 自動成膜装置
601 収納部材
602 搬送装置
603 アライナー
604 スピナー塗布装置
605 ホットプレート
606 RTA装置
607 冷却ステージ
611 スピナーチャック
612 スピンドル
614 加圧容器
615 アーム
616 ノズル
617 送液ライン
Claims (4)
- 化学溶液堆積法を用いて基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法において、
一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜の前駆体液として、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが上層ほど低いものを用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させる工程を実施して、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする強誘電体膜の製造方法。 - 請求項1に記載の強誘電体膜の製造方法において、
前記前駆体液を塗布する塗布工程、塗布した前駆体液を乾燥させる乾燥工程、乾燥させて得られる前駆体乾燥膜を熱分解させる熱分解工程を含む一連の工程を複数回繰り返して、前記複数層のアモルファス層を積層させることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の強誘電体膜の製造方法において、
前記強誘電体膜を、圧電素子の下部電極が形成された基板上に成膜することを特徴とする強誘電体膜の製造方法。 - 化学溶液堆積法を用いて基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造装置において、
一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の前駆体液を基板上に塗布する塗布手段と、
前記塗布手段が塗布する前記前駆体液のジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiを変更する前駆体液変更手段とを有し、
前記濃度比Zr/Tiが上層ほど低い前駆体液を用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させて、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする強誘電体膜の製造装置。
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