JP5636996B2 - 圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置に関する。特に、本発明は、ペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いて構成される圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置に関する。

圧電体は、電圧印加し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発生する電圧をモニター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用途に利用されている圧電体としては、優れた圧電特性を有するＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常は、個々の元素からなる酸化物を焼結することで形成されている。

また、各種の電子部品の小型化及び高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化及び高性能化が強く求められるようになっている。しかしながら、従来からの圧電材料の製法である焼結法等により作製した圧電材料は、圧電材料の厚さが所定の厚さ、特に１０μｍ以下の厚さになると、圧電材料を構成する結晶粒の大きさが圧電材料の厚さに近づき、その影響が無視できなくなる。そのため、圧電材料の特性のばらつき及び劣化が顕著になるので、圧電材料の特性のばらつき及び劣化を回避すべく、焼結法に代わる薄膜技術等を応用した圧電材料の製造法が研究されている。最近では、スパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が高精細高速インクジェットプリンタのヘッド用アクチュエータとして実用化されている。

例えば、電極層上に形成する圧電膜において、（Ｎａ_ｘＫ_ｙ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）で表される第１アルカリニオブ酸化物膜と、その第１アルカリニオブ酸化物膜上に形成され、（Ｎａ_ｘＫ_ｙＬｉ_ｚ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される第２アルカリニオブ酸化物膜とからなる圧電膜が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−３１７８５３号公報

しかしながら、薄膜形成によって、圧電膜を成膜した場合、基板径が大きくなると、同一基板の面内、特に基板の中心から径方向への特性ばらつき分布が大きくなる可能性がある。このような同一基板の面内に特性分布があると、素子化したときの基板１枚からの素子取得率が低下し、コストの面で大きな問題になる。その中で、膜の厚さ分布の均一性は重要である。膜厚は電界（ｋＶ／ｃｍ）を一定にして、デバイスに電界を印加すれば、膜厚と圧電特性とは、直接影響のない因子になるが、通常のデバイスは電圧（Ｖ）を一定にして駆動するため、膜厚が異なる場合、出力される変位量が変わってしまう。また、圧電膜をセンサとして用いた場合も、膜厚が異なると、変位量に対して出力される電圧が変わってしまう。すなわち、感度が変化してしまうため、校正が必要となってしまう。

更に、デバイス作製のために圧電膜をエッチングによって任意の形状に加工する場合、膜厚の面内分布があると、面内にエッチング残りが発生して不良の原因になったり、形状が安定しないなどの問題がある。

よって、設計膜厚に対して、できるだけ、膜厚ばらつきの少ない膜が必要となるが、これも、基板径が大きくなると基板の中心から径方向へ分布が大きくなる可能性がある。更に、ＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電膜は、鉛を６０〜７０重量％程度含有しているので、生態学的見地及び公害防止の面から好ましくない。そこで環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれている。現在、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸カリウムナトリウム（一般式：（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１））がある。このニオブ酸カリウムナトリウムは、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜も、スパッタリング法等の成膜方法で、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、Ｓｉ基板等の基板上への成膜が試されている。

しかし、これまで基板径が７５ｍｍ以上のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜をスパッタリング法で成膜する場合、原料となるターゲットを基板の対向に設置し、それぞれ静止した状態で成膜する静止成膜により膜を付けていた。この場合、膜厚の「標準偏差／平均値」を０．０５以下にするためには、基板の直径Ｄｓに対して、ターゲット直径ＤｔがＤｔ／Ｄｓ＝２〜３となるような大きいターゲットが必要で、更にばらつきを抑えたい場合は、よりターゲットを大きくする必要があった。しかし、ニオブ酸カリウムナトリウムのターゲットは、大きなターゲットを用いて、成膜速度を稼ぐために高周波電源の出力を上げていくと、熱伝導率が悪く、十分な放熱ができないため、割れてしまう。そして、割れ目から異種元素（ターゲットの下にある基材）が混入してしまう。

一方で、ターゲットが割れないように、出力を抑えながら成膜すると、成膜速度が全く出ず、スループットが大幅に低下してしまう。しかも、スパッタリング法は、真空中でなければ、成膜できないため、一度の処理枚数が少ないと、真空引き時間がスループットを律速するようになる。しかし、ポンプの能力向上にも限界があり、静止成膜の場合、コスト低減のためにスループットを上げたい場合、成膜速度を上げる以外に大きく改善する方法がなく、製品化のためには大きな問題になっている。

したがって、本発明の目的は、膜厚の面内ばらつきを抑制でき、圧電特性に優れ、高品質な圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するため、平面視にて円形を有し、直径が４インチ以上の基板と、前記基板上に設けられた下地層と、前記下地層上に設けられた非鉛のニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いて構成される圧電膜とを備え、前記圧電膜が、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、前記圧電膜の面内における前記圧電膜の膜厚の標準偏差と前記膜厚の平均値とが、標準偏差／平均値≦０．０３の関係式を満たす圧電膜付き基板が提供される。

（２）また、上記圧電膜付き基板において、前記圧電膜が、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）と、０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下のＡｒとを含んでもよい。

（３）また、上記圧電膜付き基板において、前記圧電膜の面内が、平面視において外周端から前記基板の最大径の５％の距離まで内側に入った領域とは異なる前記圧電膜の前記面内の圧電定数ｄ_３１の標準偏差と圧電定数ｄ_３１の平均値とが、（圧電定数ｄ_３１の標準偏差）／（圧電定数ｄ_３１の平均値）≦０．０５の関係式を満たすこともできる。

（４）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、Ａｒプラズマを用いて圧電膜を成膜する成膜装置内に基板を設置する基板設置工程と、前記基板上に下地層を成膜する下地層成膜工程と、前記下地層上に圧電膜を成膜する圧電膜成膜工程とを備え、前記基板が、平面視にて円形状、又は円形の一部にオリエンテーションフラットを有する形状を有し、前記成膜装置が、前記圧電膜の原料であり、平面視にて円形状のターゲットを前記成膜装置内に有し、前記基板設置工程が、前記基板を前記ターゲットに投影した場合に、前記基板の中心と前記ターゲットの中心とが異なる位置になる配置で前記基板を前記成膜装置内に設置し、前記Ａｒプラズマに晒されることにより前記ターゲットから放出される前記原料のスパッタ粒子により成膜される成膜領域の最外周から前記基板がはみ出している距離をＸとし、前記基板の直径をＤｓとした場合に、Ｘ≦０．３Ｄｓの関係式を満たす圧電膜付き基板の製造方法が提供される。

（５）また、上記圧電膜付き基板の製造方法において、前記スパッタ粒子により成膜される領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状で、２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３の関係式を満たし、前記下地層成膜工程又は前記圧電膜成膜工程が、複数の前記基板を自公転させながら成膜を実施することもできる。

（６）また、上記圧電膜付き基板の製造方法において、前記スパッタ粒子により成膜される領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状で、１≦Ｄｔ／Ｄｓ≦２の関係式を満たし、前記下地層成膜工程又は前記圧電膜成膜工程が、１枚の前記基板を自転させながら成膜を実施することもできる。

（７）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、ガス導入口、及び排気装置に連結されるガス排出口を有する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられ、基板を保持可能な基板保持部と、前記真空チャンバ内に設けられ、基板上に成膜する膜の原料であるターゲットを設置可能なターゲット設置部と、前記基板保持部と前記ターゲット設置部との間に電圧を印加可能な高圧電源とを備え、前記基板保持部が、前記基板を前記ターゲットに投影した場合に、前記基板保持部が保持可能な前記基板の中心と前記ターゲット設置部に設置可能な前記ターゲットの中心とが異なる位置になる配置で前記基板を保持可能であり、Ａｒプラズマに晒されることにより前記ターゲットから放出される前記原料のスパッタ粒子により成膜される成膜領域の最外周から前記基板がはみ出している距離をＸとし、前記基板の直径をＤｓとした場合に、Ｘ≦０．３Ｄｓの関係式を満たすように構成された成膜装置が提供される。

本発明に係る圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置によれば、膜厚の面内ばらつきを抑制でき、圧電特性に優れ、高品質な圧電膜付き基板、圧電膜付き基板の製造方法、及び成膜装置を提供できる。

本発明の実施の形態に係る圧電膜付き基板の縦断面図である。 本実施の形態に係る圧電膜付き基板の製造方法の概略図である。 従来例（比較例１）の圧電膜付き基板の製造方法の概略図である。 実施例１に係る圧電膜付き基板を作製する際の圧電膜付き基板の配置図である。 実施例２に係る圧電膜付き基板を作製する際の圧電膜付き基板の配置図である。 実施例３に係る圧電膜付き基板を作製する際の圧電膜付き基板の配置図である。 実施例に係る圧電膜付き基板の膜厚測定位置の配置図である。 基板中心からＸ方向の距離における成膜速度を示す図である。 基板中心からＹ方向の距離における成膜速度を示す図である。 基板中心からの距離と圧電定数との関係を示す図である。 成膜装置の概略の構成を示す図である。 圧電特性評価方法の概略を示し、（ａ）は屈曲動作前の状態を示す図、（ｂ）は屈曲動作後の状態を示す図である。

［実施の形態］
（圧電膜１の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電膜付き基板の縦断面の概要を示す。

本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０は、一方の表面に酸化膜（図示しない）を有する基板３と、密着層（図示しない）を介して基板３上（すなわち、酸化膜の表面）に設けられる下地層としての下部電極２と、下部電極２上に設けられるニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電材料から主として構成される圧電膜１とを備える。なお、圧電膜１の表面（すなわち、圧電膜１の下部電極２と反対側の表面）の一部に上部電極を設けることもできる。

圧電膜１は、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウム材料から主として形成される。また、圧電膜１は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有して形成される。ここで、圧電膜１の所定の面内における圧電膜１の膜厚の標準偏差と膜厚の平均値とが、標準偏差／平均値≦０．０３の関係式を満たしている。また、圧電膜１の所定の面内の圧電定数ｄ_３１の標準偏差と圧電定数ｄ_３１の平均値とが、（圧電定数ｄ_３１の標準偏差）／（圧電定数ｄ_３１の平均値）≦０．０５の関係式を満たすことが好ましい。更に、圧電膜１は、０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下の不活性ガス元素（例えば、Ａｒ）を含有して形成される。

なお、圧電膜１の「所定の面内」とは、平面視にて外周端から基板３の最大径の５％の距離まで内側に入った領域とは異なる面内である。一例として、基板３は、平面視にて円形状を有する（一例として、直径は４インチ以上である。）。そして、基板３の外周端から基板直径に対して５％の幅、すなわち、基板３の外周端から基板３の中心に向けて５ｍｍの領域を除く面内の圧電膜１の膜厚の標準偏差と膜厚の平均値とが、標準偏差／平均値≦０．０３を満たし、圧電定数ｄ_３１の標準偏差と圧電定数ｄ_３１の平均値とが、（圧電定数ｄ_３１の標準偏差）／（圧電定数ｄ_３１の平均値）≦０．０５を満たす。

基板３としては、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、ＳｒＲｕＯ_３基板、ガラス基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、又はステンレス基板等を用いることができる。本実施の形態においては、価格が低廉で、かつ、工業的に使用の実績が豊富なＳｉ基板、例えば、（００１）面に酸化膜としての熱酸化膜を有するＳｉ基板を用いることが好ましい。なお、Ｓｉ基板の面方位は（００１）面に限られず、他の面方位を有するＳｉ基板、熱酸化膜を有さないＳｉ基板、ＳＯＩ基板を用いることもできる。本実施の形態は、基板３の外径が、７５ｍｍ以上、９０ｍｍ以上又は１００ｍｍ以上において特に有効である。

酸化膜としては、基板３がＳｉから形成される場合、熱酸化により基板３の表面に形成される熱酸化膜を用いることができる。また、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法を用い、基板３の表面にＳｉ酸化膜を形成することにより、酸化膜を形成することもできる。なお、Ｓｉを除く他の材料から基板３を形成する場合、基板３の表面に酸化膜を設けずに、石英ガラス基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板、ＳｒＲｕＯ_３基板等の酸化物からなる基板上に、Ｐｔ等からなる下部電極２を直接、形成することもできる。

密着層としては、金属層、例えば、Ｔｉ層を用いることができる。また、密着層としては、Ｔａ層を用いることもできる。更に、密着層を省略することもできる。

下部電極２は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成することができる。また、下部電極２は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成される電極層と、導電性材料からなる電極層とを含む積層構造を有して形成することもできる。そして、下部電極２は、Ａｕ、Ｒｕ、若しくはＩｒ等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３等の金属酸化物から形成することもできる。

圧電膜１は、上述のとおり、（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウム系材料から形成される。なお、圧電膜１を構成するニオブ酸カリウムナトリウムに、Ｌｉ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｂａ、及びＴｉ等からなる群から選択される元素を５原子数％の濃度で添加することもできる。

また、圧電膜１の歪は、圧電膜１中に含まれる不活性ガス元素（例えば、Ａｒ）の含有量の変化に応じて発生する。例えば、圧電膜１中の不活性ガス元素の含有量の変化に応じ、圧電膜１の内部に、圧縮応力又は引張応力が発生する。また、圧電膜１中の不活性ガス元素の含有量を制御し、圧電膜１に応力が発生しない状態、すなわち無歪の状態の圧電膜１を形成することもできる。

上部電極は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成することができる。また、上部電極は、Ｐｔ若しくはＰｔを含む合金から形成される電極層と、導電性材料からなる電極層とを含む積層構造を有して形成することもできる。更に、上部電極は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｓｎ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む金属層から形成することもできる。

このような構成を備える圧電膜付き基板１０は、高い圧電定数を有する。また、圧電膜付き基板１０を所定の形状に形成し、圧電膜付き基板１０に電圧を印加する電圧印加部を圧電膜付き基板１０に設けることにより、圧電膜デバイスを実現できる。更に、圧電膜付き基板１０を所定の形状に形成し、圧電膜付き基板１０に印加される電圧を検出する電圧検出部を圧電膜付き基板１０に設けた圧電膜デバイスを実現することもできる。圧電膜デバイスは、例えば、アクチュエータ、センサ等である。

（圧電膜付き基板１０の製造方法）
図２は、本実施の形態に係る圧電膜付き基板の製造方法の概略を示す。また、図３は、従来の圧電膜付き基板の製造方法の概略を示す。

本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０は、基板４に圧電膜１を、ＲＦスパッタリング法、イオンビームスパッタ法、又はＣＶＤ法等を用いて成膜することで作製することができる。一例として、Ａｒプラズマを用いたスパッタリング法について、以下、説明する。

まず、本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０の製造方法は、Ａｒプラズマを用いて圧電膜１を成膜する成膜装置内に基板４を設置する基板設置工程と、基板４上に下部電極２を成膜する下地層成膜工程と、下部電極２上に圧電膜１を成膜する圧電膜成膜工程とを備える。なお、圧電膜成膜工程における基板４面内の平均成膜速度は、成膜時における圧力、ターゲットに印加する電圧等を調整し、０．７μｍ／ｈ以上に制御する。

ここで、基板４は、平面視にて円形状、又は円形の一部にオリエンテーションフラットを有する形状を有すると共に、成膜装置は、圧電膜１の原料であり、平面視にて円形状のターゲット５を成膜装置内に有する。そして、基板設置工程は、基板４をターゲット５に投影した場合に、基板４の中心とターゲット５の中心とが異なる位置になる配置で基板４を成膜装置内に設置する。更に、Ａｒプラズマに晒されることによりターゲット５から放出される原料のスパッタ粒子により成膜される有効領域（成膜領域）（直径Ｄｔ）の最外周から基板４がはみ出している距離をＸとし、基板４の直径をＤｓとした場合に、Ｘ≦０．３Ｄｓの関係式を満たすように、基板４とターゲット５とを配置する。

すなわち、圧電膜１が成膜される基板４が円形、又は円形の一部にオリエンテーションフラットを有する形状であり、かつ、成膜装置に設置されるターゲット５が円形である。そして、従来の製造方法を示す図３に対して、基板４の中心がターゲット５の中心から偏心して配置される（つまり、平面視にて双方の中心が異なる位置にする）。更に、ターゲットのＡｒプラズマに晒され、原料のスパッタ粒子により成膜される有効領域の最外周から、基板がはみ出している距離をＸとした場合に、Ｘが、基板の直径Ｄｓに対してＸ≦０．３Ｄｓに設定される。

また、スパッタ粒子による成膜領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状である場合に、２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３の関係式を満たし、下地層成膜工程又は圧電膜成膜工程が、複数の基板４を自公転させながら成膜を実施することもできる。

すなわち、ターゲットのＡｒプラズマに晒されて原料のスパッタ粒子により成膜される有効領域の直径Ｄｔと基板の直径Ｄｓとが、２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３の条件となる範囲で、図４のように基板４を配置する。これにより、成膜時に基板４を自転及び公転させながら複数枚の基板４を作製することがでる。ここで、ターゲットの有効領域Ｄｔと基板径Ｄｓとの比Ｄｔ／Ｄｓは、Ｄｔ／Ｄｓ＜２の範囲では、ターゲットの有効領域内に複数の基板及びその回転機構をＸ≦０．３Ｄｓとなるように配置することが困難になる。また、Ｄｔ／Ｄｓ＞３の領域では、ターゲット中心部に成膜に全く寄与しない無駄な領域が大きくなってしまい、ターゲットを大きくするメリットが損なわれてしまう。したがって、複数枚の基板を作製する場合におけるＤｔ／Ｄｓの最適の範囲は２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３にすることが好ましい。

また、スパッタ粒子により成膜される領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状である場合に、１≦Ｄｔ／Ｄｓ≦２の関係式を満たし、下地層成膜工程又は圧電膜成膜工程が、１枚の基板４を自転させながら成膜を実施することもできる。

すなわち、ターゲットのＡｒプラズマに晒されて原料のスパッタ粒子により成膜される有効領域の直径Ｄｔと基板の直径Ｄｓとが、１≦Ｄｔ／Ｄｓ≦２の条件となる範囲で、成膜時に基板を自転しながら１枚の基板を作製することができる。ターゲット有効領域Ｄｔと基板径Ｄｓとの比Ｄｔ／Ｄｓは、Ｄｓ＜１の範囲では、Ｘ≦０．３Ｄｓ及び成膜有効領域の確保が難しくなり、膜厚ばらつき及び成膜速度が所望の範囲に入らなくなる。また、Ｄｔ／Ｄｓ＞２の領域では、ターゲットの大半の部分の成膜に実質的に寄与しない領域が大きくなってしまい、ターゲットを大きくするメリットが損なわれてしまう。したがって、１枚の基板を作製する場合におけるＤｔ／Ｄｓの最適の範囲は１≦Ｄｔ／Ｄｓ≦２にすることが好ましい。

（成膜装置の構成）
図１１は、本実施の形態に係る成膜装置の概略の構成を示す。
また、本実施の形態に係る成膜装置は、以下の構成を備える。

成膜装置５０は、ガス供給部５９Ａに接続されたガス導入口５９ａ、及びガス排気部５９Ｂに連結されるガス排出口５９ｂを有する真空チャンバ５１と、真空チャンバ５１内に設けられ、基板４を保持可能（つまり、基板４は、基板保持部５８に保持されることが予定されている）な基板保持部５８と、真空チャンバ５１内に設けられ、基板４上に成膜する膜の原料であるターゲット５を設置可能（つまり、ターゲット５は、ターゲット設置部５３に設置することが予定されている）なターゲット設置部５３と、カソード５２とターゲット設置部５３との間に高周波電圧を印加可能なＲＦ電源部５４とを備える。そして、基板保持部５８は、基板４をターゲット５に投影した場合に、基板保持部５８が保持可能な基板４の中心とターゲット設置部５３に設置可能なターゲット５の中心とが異なる位置になる配置で基板４を保持可能に設けられる。基板４は、基板保持部５８の中心線５８ａを中心にモータ等による自転駆動部５７によって回転可能に設けられている。自転駆動部５７は、テーブル５６の中心線（ターゲット５の中心とほぼ一致）５６ａからずれた位置に配置され、テーブル５６は、中心線５６ａを中心にモータ等による公転駆動部５５によって回転するように構成されている。制御部６０は、基板４がターゲット５の中心の周りを自転しながら公転するように公転駆動部５５及び自転駆動部５７を制御する。なお、１つのモータでギヤを介して基板４を公転及び自転させる機構を採用してもよい。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０によれば、圧電膜付き基板１０の外周５ｍｍを除く面内の膜厚の「標準偏差／平均値」を０．０３以下、面内の印可電圧一定時の圧電定数ｄ_３１の「標準偏差／平均値」を０．０５以下にすることで、従来の静止成膜での膜厚の面内ばらつきに比べて半分以下、圧電特性も同等以上の高品質な圧電膜付き基板１０を提供することができる。

また、本実施の形態に係る圧電膜付き基板の製造方法によれば、品質向上以外にも、従来よりも小さいターゲットの使用が可能となり、ターゲットの割れ等のリスクを軽減できる。更に、多数枚の同時成膜が可能となり、従来の製造方法に比べて、スループット向上が実現でき、より低価格な圧電膜付き基板及びその基板を用いた圧電体素子を供給することが可能となる。

また、Ａｒガス等の不活性ガスは、圧電膜１（つまり、ＫＮＮ薄膜）との間で固溶体を形成せず、圧電膜１中に単独の原子として存在する。したがって、不活性ガスが混入する前の圧電膜１の組成等自体はほとんど変質せず、圧電膜１を構成する元素の原子半径とは異なる原子半径を有する不活性ガス原子が圧電膜１を構成する材料の結晶格子間に侵入するか、あるいは圧電膜１を構成する元素が不活性ガス原子に置換される。これにより、圧電膜１において歪（又は内部応力）の発生を抑制でき、ｄ_３１のばらつきを制御できる。

また、本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０の製造方法によれば、成膜時のプラズマ密度の分布（すなわち、成膜速度分布）やターゲットの不均一等を回転によってキャンセルできるので、従来よりも小さい面積のターゲットでも、膜厚や圧電特性の面内ばらつきがより小さい圧電膜付き基板１０を作製することができる。また、ターゲットのＡｒプラズマに晒されて原料のスパッタ粒子により成膜される有効領域の直径Ｄｔと基板の直径Ｄｓとが、２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３の条件になる範囲では複数枚の基板を同時に成膜できるので、スループットも大幅に改善することができる。

実施例１〜３及び比較例１〜２においてはそれぞれ、Ｓｉ基板上に所定の条件で膜厚３μｍのＫＮＮ薄膜を形成することにより圧電膜付き基板を作製した。そして、作製した圧電膜付き基板の圧電特性を評価した。

（ＫＮＮ薄膜の成膜）
まず、本実施の形態に係る圧電膜付き基板１０の製造方法を用い、圧電膜付き基板を作製した。基板には両面ミラーの熱酸化膜付きＳｉ基板（具体的には、（１００）面方位を有し、厚さが０．５２５ｍｍで、熱酸化膜厚さが２００ｎｍで、直径が１００ｍｍのＳｉ基板）を用いた。

まず、Ｓｉ基板上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚２ｎｍ）、Ｐｔ下部電極（（１１１）面優先配向、膜厚２００ｎｍ）を形成した。Ｔｉ密着層及びＰｔ下部電極は、Ｓｉ基板の温度を１００℃以上３５０℃以下に加熱し、放電パワーを２００Ｗに、導入ガスをＡｒ雰囲気に、圧力を２．５Ｐａに制御した上で、成膜時間を１分以上３分以下に制御して成膜した。

次に、Ｐｔ下部電極上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、３μｍ厚の（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３薄膜を成膜した。（Ｋ_１−ｘＮ_ｘ）ＮｂＯ_３圧電膜の成膜に用いたターゲットは、直径が４インチ、９インチ、又は１２インチであり、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．６５の（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３焼結体から構成されたターゲットを用いた。そして、基板温度を５００℃に、導入ガスをＡｒ雰囲気に、圧力を０．３Ｐａにそれぞれ設定して、成膜面を鉛直方向下向きにして成膜した。ただし、放電パワーについては、４インチのターゲットの場合に３００Ｗ、９インチのターゲットの場合に８００Ｗ、１２インチのターゲットの場合に１８００Ｗに設定した。そして、ＫＮＮ膜のスパッタ成膜時間は、膜厚が略３μｍになるようにそれぞれ調整した。このような条件で、Ｘ＝３０ｍｍ（Ｘ＝１００×０．３）の位置に、基板を図４、図５及び図６のように設置し、実施例１〜４に係る圧電膜付き基板を作製した。

（比較例１）
一方、比較例として、同様のＰｔ下部電極上に、直径９．３インチ（φ４インチの静止成膜用のターゲット）で、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．６５の（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３焼結体をターゲットに用い、基板温度を５００℃に、放電パワーを８００Ｗに、導入ガスをＡｒに、圧力を０．３Ｐａにそれぞれ制御して、成膜面を鉛直方向下向きに成膜した。そして、ＫＮＮ膜のスパッタ成膜時間は、膜厚が略３μｍになるように調整した。このような条件で、基板を図３のように設置し、比較例１に係る圧電膜付き基板を作製した。

（比較例２）
更に、同様のＰｔ下部電極上に、直径１２インチ、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０．６５の（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３焼結体をターゲットに用い、基板温度を５００℃に、放電パワーを１８００Ｗに、導入ガスをＡｒに、圧力を０．３Ｐａにそれぞれ制御して、成膜面を鉛直方向下向きに成膜した。ＫＮＮ膜のスパッタ成膜時間は、膜厚が略３μｍになるように調整した。このような条件で、Ｘ＝３５ｍｍの位置に基板を図６のように設置し、比較例２に係る圧電膜付き基板を作製した。

（膜厚ばらつき評価）
次に、膜厚の面内ばらつきを評価するために、Ｆｉｌｍｅｔｒｉｃｓ社製の薄膜測定装置Ｆ２０を用い、光学式の非接触厚さ測定で膜厚を測定した。この測定装置は、透明膜の厚さを、薄膜の表面からの反射と裏面（下地電極表面）からの反射とを解析することで算出する。また、本装置の測定結果は、薄膜断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定（ＳＥＭ条件：１００００倍、５ｋＶ）した厚さと比較して、校正した。具体的には、厚さ測定を図７に示す９点実施し、その標準偏差及び平均値を計算し、膜厚の面内ばらつきの大きさとして「標準偏差／平均値」を計算した。

（圧電特性評価）
次に、圧電定数ｄ_３１を評価するために変位量を測定する。図１２は、圧電特性評価方法を示す概略図である。実施例及び比較例に係る圧電膜付き基板の上に白金上部電極（膜厚０．０２μｍ）１８をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成して、長さが２０ｍｍで幅が２．５ｍｍの短冊形に切り出し、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３薄膜を含む圧電素子を作製した。次に、圧電素子の長手方向の端をクランプ２０で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを構成した。この状態で上下両電極間の（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３薄膜に電圧を印加し、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３薄膜を伸縮させることでカンチレバー全体を屈曲動作させ、レバーの先端を動作させた。そして、レバーの先端の変位量３００をレーザードップラ変位計３０で測定した。

圧電定数ｄ_３１は、カンチレバー先端の変位量、カンチレバー長さ、基板の厚さ、薄膜の厚さ、ヤング率、及び印加電圧から算出することができる。実施例では、印可電圧が一定時における圧電定数のばらつきに注目したので、印可電圧を２０Ｖで一定にした。更に、外周５ｍｍを除く領域から６０本の短冊形を切り出し、それらの圧電定数ｄ_３１の標準偏差及び平均値を計算し、圧電定数ｄ_３１の面内ばらつきの大きさとして「標準偏差／平均値」を計算した。また、圧電定数ｄ_３１の算出する際に用いるＫＮＮ薄膜のヤング率としては、１０４ＧＰａを用いた。

このようにして作製した実施例１〜３に係る圧電膜付き基板は、表１に示すように、膜厚及び圧電定数の面内ばらつきが所定の範囲に入っており、従来の静止成膜である比較例２に比べ（表２を参照）、膜厚の面内ばらつきで半分以下、圧電定数の面内ばらつきが同等以上に改善された。また、成膜速度に関しては、従来の静止成膜である比較例２に比べ、３０〜４０％程度低下したが、実施例１及び実施例３のように複数枚を同時成膜できる場合には、１枚当たりのスループットは実質的に高くなり、より低コストでの製造が可能となることが示された。なお、表１におけるターゲット有効径とは、ターゲットを平面視したときに視認される領域、すなわち、ターゲット設置部に設置されているターゲットをターゲット設置部に固定する冶具等により覆われている領域を除く、外部に露出しているターゲットの領域である。

一方、基板はみ出し量Ｘを３０ｍｍから３５ｍｍと大きくした比較例１では、ターゲット外周部にある成膜速度が急激に低下する部分に基板中心部が重なってしまい、実施例１〜３では、凸形状であった膜厚の面内分布が、中心が凹むようなＭ型の分布となった。そのため、膜厚の面内ばらつきの悪化及び平均成膜速度の低下が生じた。

図８は、基板中心からＸ方向の距離における成膜速度を示し、図９は、基板中心からＹ方向の距離における成膜速度を示す。また、図１０は、基板中心からの距離と圧電定数との関係を示す。基板の中心とターゲットの中心が一致している場合（比較例２）では、膜厚が凸形状の分布になる。これを実施例に示すようにＸ≦０．３Ｄｓを満たすような配置にすることで、径方向に平坦な分布にすることができる。しかし、Ｘが０．３Ｄｓよりも大きくなると、比較例１のように中心及び外周の成膜速度が低下し始め、径方向にＭ字形の分布となり、膜厚分布が悪化していく。また、同じ電圧を印加したときに、膜厚が薄い方が圧電特性が大きくなる傾向があり、図１０に示すように、膜厚分布と圧電特性に相関がみられる。圧電特性の面内分布を確保するには、膜厚分布のばらつきを小さくする必要がある。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１…圧電膜、２…下部電極、３…基板、４…基板、５…ターゲット、１０…圧電膜付き基板、１８…上部電極、２０…クランプ、３０…レーザードップラ変位計、５０…成膜装置、５１…真空チャンバ、５３…ターゲット設置部、５４…ＲＦ電源部、５５…公転駆動部、５６…テーブル、５６ａ…テーブルの中心線、５７…自転駆動部、５８…基板保持部、５８ａ…基板保持部の中心線、５９Ａ…ガス供給部、５９ａ…ガス導入口、５９Ｂ…ガス排気部、５９ｂ…ガス排出口、６０…制御部、３００…変位量

Claims (7)

1. 平面視にて円形を有し、直径が４インチ以上の基板と、
   前記基板上に設けられた下地層と、
   前記下地層上に設けられた非鉛のニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いて構成される圧電膜とを備え、
   前記圧電膜が、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、前記圧電膜の面内における前記圧電膜の膜厚の標準偏差と前記膜厚の平均値とが、標準偏差／平均値≦０．０３の関係式を満たす圧電膜付き基板。
2. 前記圧電膜が、一般式（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（０＜ｘ＜１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウムと、０．０６μｇ／ｃｍ^２以上０．１５μｇ／ｃｍ^２以下のＡｒとを含む請求項１に記載の圧電膜付き基板。
3. 前記圧電膜の面内が、平面視において外周端から前記基板の最大径の５％の距離まで内側に入った領域とは異なる前記圧電膜の前記面内の圧電定数ｄ_３１の標準偏差と圧電定数ｄ_３１の平均値とが、（圧電定数ｄ_３１の標準偏差）／（圧電定数ｄ_３１の平均値）≦０．０５の関係式を満たす請求項２に記載の圧電膜付き基板。
4. Ａｒプラズマを用いて圧電膜を成膜する成膜装置内に基板を設置する基板設置工程と、
   前記基板上に下地層を成膜する下地層成膜工程と、
   前記下地層上に圧電膜を成膜する圧電膜成膜工程とを備え、
   前記基板が、平面視にて円形状、又は円形の一部にオリエンテーションフラットを有する形状を有し、
   前記成膜装置が、前記圧電膜の原料であり、平面視にて円形状のターゲットを前記成膜装置内に有し、
   前記基板設置工程が、前記基板を前記ターゲットに投影した場合に、前記基板の中心と前記ターゲットの中心とが異なる位置になる配置で前記基板を前記成膜装置内に設置し、
   前記Ａｒプラズマに晒されることにより前記ターゲットから放出される前記原料のスパッタ粒子により成膜される成膜領域の最外周から前記基板がはみ出している距離をＸとし、前記基板の直径をＤｓとした場合に、Ｘ≦０．３Ｄｓの関係式を満たす圧電膜付き基板の製造方法。
5. 前記スパッタ粒子により成膜される領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状で、２≦Ｄｔ／Ｄｓ≦３の関係式を満たし、
   前記下地層成膜工程又は前記圧電膜成膜工程が、複数の前記基板を自公転させながら成膜を実施する請求項４に記載の圧電膜付き基板の製造方法。
6. 前記スパッタ粒子により成膜される領域が平面視にて直径Ｄｔの円形状で、１≦Ｄｔ／Ｄｓ≦２の関係式を満たし、
   前記下地層成膜工程又は前記圧電膜成膜工程が、１枚の前記基板を自転させながら成膜を実施する請求項４に記載の圧電膜付き基板の製造方法。
7. ガス導入口、及び排気装置に連結されるガス排出口を有する真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設けられ、基板を保持可能な基板保持部と、
   前記真空チャンバ内に設けられ、基板上に成膜する膜の原料であるターゲットを設置可能なターゲット設置部と、
   前記基板保持部と前記ターゲット設置部との間に電圧を印加可能な高圧電源とを備え、
   前記基板保持部が、前記基板を前記ターゲットに投影した場合に、前記基板保持部が保持可能な前記基板の中心と前記ターゲット設置部に設置可能な前記ターゲットの中心とが異なる位置になる配置で前記基板を保持可能であり、Ａｒプラズマに晒されることにより前記ターゲットから放出される前記原料のスパッタ粒子により成膜される成膜領域の最外周から前記基板がはみ出している距離をＸとし、前記基板の直径をＤｓとした場合に、Ｘ≦０．３Ｄｓの関係式を満たすように構成された成膜装置。

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