JP5103694B2 - 圧電薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロアクチュエーター等に用いて好適な圧電薄膜の製造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板を微細加工して作製されるマイクロアクチュエーターやセンサ等の駆動源の1つとして、圧電薄膜が使用されている。
【0003】
一般に、この圧電薄膜はシリコン単結晶基板(表面にごく薄いシリコン酸化膜が形成されている)上に、Ti膜とPt膜との積層膜から成る下地膜を介して、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜から成る圧電膜を形成している。
このチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の形成方法には、スパッタ法、ゾルゲル法、並びにCVD(化学的気相成長)法等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のPZT薄膜においては、Tiリッチの組成では(111)に優先配向させた方が高い自発分極を示し、Zrリッチの組成では(100)に優先配向させた方が高い自発分極を示す。
そして、TiリッチのPZTを使用する場合だけでなく、自発分極以外のその他の特性や製造の条件等により、ZrリッチのPZTを使用する場合もあり、その場合には良好な特性を得るためにPZTを(100)に優先配向させることが望ましい。
【0005】
ここで、(100)に優先配向したPZTを製造するには、下地膜のPt膜を(100)に優先配向させる必要がある。一方、下地のPt膜が(111)に優先配向していると、Pt膜の影響により、その上のPZTは(111)に優先配向した膜となる。
【0006】
そして、(100)に優先配向させたPt膜をシリコンウエハ上に形成するためには、Pt膜の下地膜としてマグネシアMgO単結晶薄膜が用いられるが、このマグネシア単結晶薄膜は単結晶化のために成膜時の基板温度を高くする必要があり、特別な成膜装置を使用しなければならない。
従って、製造コストがかかり、圧電薄膜を用いた装置を大量生産することが困難になる。
【0007】
このことから、ZrリッチのPZTを用いる場合にも、(111)に優先配向したPZT薄膜を形成せざるを得なくなり、特性が犠牲になりデバイスの設計上の自由度も小さくなってしまう。
また、無配向のPZT薄膜を形成した場合にも、圧電薄膜として充分な特性が得られない。
【0008】
上述した問題の解決のために、本発明においては、良好な自発分極特性が得られ、設計上の自由度を広くすることができる圧電薄膜の製造方法を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電薄膜の製造方法は、基板上に(111)に優先配向された白金薄膜を形成し、マグネトロンスパッタ装置を用いて、この白金薄膜上に20〜200nmの膜厚の第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第1のジルコン酸鉛薄膜及び上記第2のジルコン酸鉛薄膜を(100)に優先配向させるものである。
【0012】
上述の本発明製法によれば、(111)に優先配向された白金薄膜上に20〜200nmの膜厚の第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第1のジルコン酸鉛薄膜及び上記第2のジルコン酸鉛薄膜を(100)に優先配向させることにより、通常は(111)に優先配向されるチタン酸ジルコン酸鉛を(100)に優先配向させることが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板上に(111)に優先配向された白金薄膜を形成し、マグネトロンスパッタ装置を用いて、この白金薄膜上に20〜200nmの膜厚の第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第1のジルコン酸鉛薄膜及び上記第2のジルコン酸鉛薄膜を(100)に優先配向させる圧電薄膜の製造方法である。
【0015】
図1は、本発明の一実施の形態として、圧電薄膜の概略構成図(断面図)を示す。
この圧電薄膜1は、シリコンSi単結晶基板2上に、Ti膜3及びPt膜4の積層膜から成る下地膜11を介して、チタン酸ジルコン酸鉛薄膜(以下PZT薄膜とする)5が形成され、PZT薄膜5上にPt膜6が形成されて構成されている。
【0016】
PZT薄膜5は、圧電作用を有しており、電圧を加えることにより伸び縮みする圧電膜として用いられている。
PZT薄膜5の下のPt膜4は圧電膜の下部電極となり、PZT薄膜5の上のPt膜は圧電膜の上部電極となる。
また、Ti膜3は、シリコン基板2とPt膜4との密着性を良好にする目的で形成されている。
【0017】
本実施の形態においては、特に圧電膜を構成するPZT薄膜5を(100)に優先配向したPZT薄膜として圧電薄膜1を構成する。
【0018】
これにより、例えばZrリッチのPZT薄膜5を使用する場合でも、高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【0019】
また、(111)に優先配向された白金薄膜4上には(111)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛も形成することが可能である。
従って、例えば(100)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛5と(111)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛とを同一基板1上に共存させることも可能になる。
【0020】
図1に示した本実施の形態の圧電薄膜1は、次のようにして製造を行うことができる。
例えば4インチの(100)シリコン単結晶基板2を有機溶剤及び純水で洗浄した。このとき、シリコン単結晶基板2の表面にSiO2 熱酸化膜(図示せず)が300nm程度形成される。
【0021】
そして、図2Aに示すように、シリコン単結晶2の表面上にTi膜3を例えば50nmの厚さに成膜する。成膜装置にはマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばRF出力1.2kW、Arガス雰囲気で圧力0.3Paの条件下で成膜する。
【0022】
次に、図2Bに示すように、Ti膜3の表面上にPt膜4を例えば100nmの厚さに成膜する。成膜装置にはマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばRF出力0.3kW、Arガス雰囲気で圧力0.3Paの条件下で成膜する。
これにより、Ti膜3とPt膜4の積層膜から成る下地膜11が形成される。
【0023】
続いて、図2Cに示すように、Pt膜4の表面上にPZT薄膜(以下第1のPZT薄膜とする)7を成膜する。この第1のPZT薄膜7の成膜には、例えばマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばPb(Zr0.52Ti0.48)O3-x 組成のターゲットにより、例えばRF出力0.3kW、Arガス及び酸素雰囲気(例えばAr/O2比=1/9)で圧力0.4Paの条件下で成膜する。
【0024】
次に、赤外線加熱炉内で酸素を流しながら第1のPZT薄膜7の結晶化熱処理を行う。加熱時間及び保持時間は例えば700℃・10分とする。
【0025】
続いて、図3Dに示すように、第1のPZT薄膜7の表面上にさらにPZT薄膜(以下第2のPZT薄膜とする)8を例えば500nmの厚さに成膜する。尚、成膜装置及び成膜条件は、第1のPZT薄膜7の成膜工程と同様にすることができる。
【0026】
その後、再度PZT薄膜の結晶化熱処理を行った。
この結晶化熱処理により、第1のPZT薄膜7及び第2のPZT薄膜8が、図3Eに示すように(100)に優先配向されたPZT薄膜5となる。
【0027】
その後は、PZT薄膜5上にPt膜6を成膜することにより、図1に示した構成の圧電薄膜1を製造することができる。
【0028】
尚、Ti膜3及びPt膜4の成膜方法には、上述のスパッタ法の他、蒸着法を用いてもよい。
また第1のPZT薄膜7及び第2のPZT薄膜8の成膜方法には、上述したスパッタ法の他、ゾルゲル法等を用いてもよい。
【0029】
ここで、実際に上述の製造工程によりPZT薄膜5について、X線ディフラクトメーターを用いて配向性を調べた。
X線ディフラクトメーターによるX線ピークプロファイルを図4〜図6に示す。図4はPZT薄膜が無配向である場合のX線ピークプロファイルであり、図5はPZTが(111)に優先配向している場合のX線ピークプロファイルであり、図6はPZTが(100)に優先配向している場合のX線ピークプロファイルである。
【0030】
試験の条件は、他の条件は同一として、第1のPZT薄膜7の膜厚を、20〜500nmと変化させた。また、対照用として、第1のPZT薄膜7の膜厚が0nmの場合即ちPZT薄膜を1層のみで500nmの膜厚に成膜した場合の配向性も調べた。
配向性の評価は、X線回折プロファイル中、(100)、(110)、(111)のピークを用いて、各ピークの強度比で算出した。この配向性の評価の結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】
表1より、第1のPZT薄膜7の膜厚を20〜200nmとして、熱処理した後さらに第2のPZT薄膜8を成膜することにより、通常(111)に優先配向或いは無配向となるPZT薄膜を(100)に優先配向させることが可能となることがわかる。
以上のことから、第1のPZT薄膜の膜厚を制御することにより、PZT薄膜5の配向性を、(111)優先配向の他、(100)優先配向とすることも可能となり、デバイスを設計する上での自由度が向上する。
【0033】
尚、ここでは第2のPZT薄膜8の膜厚を500nmとしたが、第2のPZT薄膜8はこの膜厚には限定されず、その他の膜厚としても同様にPZT薄膜5を(100)に優先配向することが可能である。
【0034】
上述の本実施の形態によれば、比較的容易に製造が可能な(111)に優先配向されたPt膜4上に、(100)に優先配向されたPZT薄膜5が形成されていることにより、(100)に優先配向されたPZT薄膜5を用いた圧電薄膜1を容易に製造することが可能な構造となっている。
これにより、例えばPZT薄膜5にZrリッチのPZT薄膜5を使用する場合でも、高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【0035】
また、(111)に優先配向されたPt膜4上には(111)に優先配向されたPZT薄膜も形成することができるので、例えば(100)に優先配向されたPZT薄膜と(111)に優先配向されたPZT薄膜とを同一基板上に共存させることも可能になる。
【0036】
このように、(100)に優先配向されたPZT薄膜5を形成したシリコン単結晶基板2を用いることにより、シリコン基板のウェハ上で形成する機能デバイスの設計の自由度を向上させることができる。
【0037】
そして、同一基板上に(100)に優先配向上させたPZT薄膜5及び(111)に優先配向させたPZT薄膜を共存させた構成即ち配向性の異なるPZT薄膜を共存させた構成とすることにより、さらに機能デバイスの設計の自由度を向上させることができる。
【0038】
また、本実施の形態によれば、(111)に優先配向されたPt膜4上に、20〜200nmの膜厚で第1のPZT薄膜7を成膜し、熱処理した後にこの第1のPZT薄膜7上に第2のPZT薄膜8を成膜することにより、(111)に優先配向されたPt膜4上に(100)に優先配向されたPZT薄膜5を形成することができる。
【0039】
尚、前述したように同一基板上に配向性の異なるPZT薄膜を共存させた構成を製造する場合には、マスク等を使用することにより、1つのターゲットのみで配向性の異なるPZT薄膜をシリコン基板の同一平面内に成膜することも可能になる。
【0040】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0041】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、(100)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を容易に製造することが可能になり、例えばジルコンリッチの組成のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を用いる場合でも高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【0042】
また、例えば必要に応じて(111)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜と(100)に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜とを使い分けたり同一基板上に共存させることが可能になるため、デバイスの設計の自由度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の圧電薄膜の概略構成図(断面図)である。
【図2】A〜C 図1の圧電薄膜の製造工程を示す工程図である。
【図3】D、E 図1の圧電薄膜の製造工程を示す工程図である。
【図4】PZTが無配向である場合のX線ピークプロファイルである。
【図5】PZTが(111)に優先配向している場合のX線ピークプロファイルである。
【図6】PZTが(100)に優先配向している場合のX線ピークプロファイルである。
【符号の説明】
1 圧電薄膜、2 シリコン単結晶基板、3 Ti膜、4 Pt膜(下部電極)、5 PZT薄膜、6 Pt膜(上部電極)、7 第1のPZT薄膜、8 第2のPZT薄膜、11 下地膜
Claims (1)
- 基板上に(111)に優先配向された白金薄膜を形成し、
マグネトロンスパッタ装置を用いて、上記白金薄膜上に20〜200nmの膜厚の第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、
上記第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、上記第1のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に、第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、
その後、上記第2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第1のジルコン酸鉛薄膜及び上記第2のジルコン酸鉛薄膜を(100)に優先配向させる
圧電薄膜の製造方法。
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