JP5966199B2 - 圧電体薄膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
スカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜は、窒素雰囲気下においてスカンジウムとアルミニウムを基板上にスパッタリングすることによって製造される(特許文献1参照)。
炭素原子の含有率が2.5at%以下であることを特徴とする圧電体薄膜にある。
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材から、スカンジウムとアルミニウムとを基板上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜を製造する一元スパッタリング工程を有し、
上記合金ターゲット材は、炭素原子の含有率が5at%以下のスカンジウムアルミニウム合金からなることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法にある。
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムからなるScターゲット材とアルミニウムからなるAlターゲット材から、スカンジウムとアルミニウムとを基板上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜を製造する二元スパッタリング工程を有し、
上記圧電体薄膜は、一般式ScxAl1-xN(0<x<1)で表されるスカンジウムアルミニウム窒化物からなり、上記第Scターゲット材は、炭素原子の含有率が5/x(at%)以下のスカンジウムからなることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法にある。
スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材と基板とを対向するように配置し、上記合金ターゲット材の対向面に対して斜めからイオンビームを照射し、上記合金ターゲット材からスカンジウムとアルミニウムとを基板上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜を製造するイオン照射スパッタリング工程を有し、
該イオン照射スパッタリング工程においては、少なくとも窒素イオンを含む上記イオンビームを照射するか、あるいは少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で上記イオンビームを照射することを特徴とする圧電体薄膜の製造方法にある。
この理由は次の通りである。即ち、イオンビームの照射によってターゲット材からはじき出される原子(被スパッタ原子)の放出角度分布は、その原子量によって異なる。原子量の小さい原子は、原子量の大きい原子に比べてイオンビームの入射方向と同じ方向で逆向きへ放射される割合が多くなる。
そこで、上記照射スパッタリング工程のごとく、上記合金ターゲット材の対向面に対して斜めからイオンビームを照射すると、合金ターゲット材中に含まれる炭素原子の大部分は、ScやAlに比べて原子量が小さいため、イオンビームの入射方向と同じ方向でかつ逆向きへ放射され、基板への炭素原子の放射量を非常に少なくすることができる。したがって、上記のごとく炭素原子の含有率が2.5at%以下の圧電体薄膜を製造することができる。なお、イオン照射スパッタリング工程においては、少なくとも窒素イオンを含むイオンビームを照射するか、あるいは少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下でイオンビームを照射する。そのため、スパッタリングにより、スカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜を製造することができる。
上記圧電体薄膜は、スカンジウムアルミニウム窒化物からなる。スカンジウムアルミニウム窒化物は、一般式ScxAl1-xN(0<x<1)で表すことができる。好ましくは、xは、0.05≦x≦0.5を満足することがよい。この場合には、上記圧電体薄膜の圧電応答性をより向上させることができる。より好ましくは、0.15≦x≦0.45がよい。
また、上記照射スパッタリング工程においても、合金ターゲット材中の炭素原子の含有量は少ないことが好ましい。照射スパッタリング工程における合金ターゲット中の炭素原子の含有率は例えば10at%以下にすることができ、5at%以下であることがより好ましい。これにより、より一層確実に圧電体薄膜中の炭素原子の含有率を下げることができる。
スパッタリングにおいける基板の温度は、例えば18〜600℃の範囲内にすることができる。好ましくは、200〜400℃にすることがよい。
次に、圧電体薄膜の実施例及び比較例について説明する。
本例においては、炭素原子(C)の含有率が異なる複数の圧電体薄膜を製造し、これらの圧電定数の評価を行う。
図1に示すごとく、本例の圧電体薄膜1は、シリコンからなる基板2上に形成されており、スカンジウムアルミニウム窒化物からなり、微量の炭素を含有する。
具体的には、図2に示すごとく、スパッタリングチャンバ−内に基板2と合金ターゲット材10とを対向するように配置した。そして、スパッタリング圧力0.16Pa、窒素濃度43体積%、ターゲット電力密度10W/cm2、基板温度300℃、スパッタリング時間200分という条件で、合金ターゲット材10からスカンジウム101とアルミニウム102とを基板2上にスパッタリングした。なお、スパッタリングチャンバ−は、5×10-5Pa以下に減圧し、チャンバ-内に99.999体積%のアルゴンガス及び99.999体積%の窒素ガスを導入した。合金ターゲット材10は、蒸着前に、Arガス雰囲気で3分間スパッタリングした。
このようにして、基板2上に、スカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜1を作製した(図1参照)。なお、本例においては、RF電圧を印加する例で説明したが、DC電圧を印加する場合でも同様にして圧電体薄膜1を製造することができる。
また、上述の波長分散型蛍光X線分析装置を用いて圧電体薄膜1の組成を調べたところ、Scの原子数とAlの原子数との総量を100at%としたときにおけるSc原子の含有率は、43at%であった。即ち、スカンジウムアルミニウム窒化物の一般式ScxAl1-xNにおいて、x=0.43である。
各試料の圧電体薄膜は、合金ターゲット材の種類、即ち、C含有率(at%)の異なる合金ターゲット材を用いた点を除いては、同様にして作製したものである。
各試料の作製に用いた合金ターゲット材のC含有率(at%)、及び得られた圧電体薄膜中のC含有率(at%)を後述の表1に示す。
具体的には、カメカ(CAMECA)社製のSIMS装置「IMS 7f」を用いて、一次イオン種:Cs+、一次イオン加速エネルギー:15keV、二次イオン極性:ネガティブ、帯電補償:メタルコート/E−gunという条件で測定した。合金ターゲット材中のC含有率は、合金ターゲット中のSc原子数とAl原子数との総量100at%に対するC原子の含有率(at%)である。また、圧電体薄膜中のC含有率は、圧電体薄膜のSc原子数とAl原子数とN原子数との総量100at%に対するC原子の含有率(at%)である。
また、表1に基づいて、圧電体薄膜中のC含有率(at%)と圧電体薄膜の圧電d33定数との関係を図3に示す。
実施例1においては、スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材を用いた一元スパッタリング工程を行うことにより、圧電体薄膜を作製したが、スカンジウムからなるScターゲット材と、アルミニウムからなるAlターゲット材を用いた二元スパッタリング工程を行うことにより圧電体薄膜を製造することもできる。この場合には、Scターゲット材及びAlターゲット材からアルミニウムとスカンジウムとを基板上に同時にスパッタリングする点を除いては、実施例1と同様にして、圧電体薄膜を製造することができる。
したがって、二元スパッタリング工程において、一般式ScxAl1-xN(0<x<1)で表されるスカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜を得るにあたっては、炭素原子含有率が5/x(at%)以下のScターゲット材を用いることが好ましい。また、炭素原子の含有率が1.5at%以下の圧電体薄膜を得るためには、炭素原子の含有率が3/x(at%)以下のScターゲットを用いればよく、炭素原子の含有率が0.75at%以下の圧電体薄膜を得るためには、炭素原子の含有率が1.5/x(at%)以下のScターゲットを用いればよい。なお、Scターゲット材中の炭素原子の含有率は、Scターゲット材中のSc100at%に対する炭素原子の含有率である。
本例は、合金ターゲット材の対向面に対して斜めからイオンビーム照射してスパッタリングを行うというイオン照射スパッタリング工程を行うことにより、スカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜を製造する例である。
具体的には、まず、実施例1と同様にして、スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材10と基板2とを対向するように配置した(図4参照)。
基板2としては、実施例1と同様のシリコン基板を用いることができる。合金ターゲット材10としては、実施例1のように炭素含有率が例えば5at%以下のスカンジウムアルミニウム合金ターゲット材を用いることもできるが、炭素含有率が5at%を超える合金ターゲット材を用いることも可能である。
2 基板
10 合金ターゲット材
101 スカンジウム
102 アルミニウム
Claims (10)
- スカンジウムアルミニウム窒化物からなる圧電体薄膜(1)であって、
炭素原子の含有率が2.5at%以下であることを特徴とする圧電体薄膜(1)。 - 上記炭素原子の含有率が1.5at%以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜(1)。
- 上記炭素原子の含有率が0.75at%以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜(1)。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電体薄膜(1)を製造する方法において、
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材(10)から、スカンジウム(101)とアルミニウム(102)とを基板(2)上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜(1)を製造する一元スパッタリング工程を有し、
上記合金ターゲット材(10)は、炭素原子の含有率が5at%以下のスカンジウムアルミニウム合金からなることを特徴とする圧電体薄膜(1)の製造方法。 - 上記合金ターゲット材(10)は、炭素原子の含有率が3at%以下のスカンジウムアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項4に記載の圧電体薄膜(1)の製造方法。
- 上記合金ターゲット材(10)は、炭素原子の含有率が1.5at%以下のスカンジウムアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項4に記載の圧電体薄膜(1)の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電体薄膜(1)を製造する方法において、
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムからなるScターゲット材とアルミニウムからなるAlターゲット材から、アルミニウムとスカンジウムとを基板上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜(1)を製造する二元スパッタリング工程を有し、
上記圧電体薄膜は、一般式ScxAl1-xN(0<x<1)で表されるスカンジウムアルミニウム窒化物からなり、上記Scターゲット材は、炭素原子の含有率が5/x at%以下のスカンジウムからなることを特徴とする圧電体薄膜(1)の製造方法。 - 上記Scターゲット材は、炭素原子の含有率が3/x at%以下のスカンジウムからなることを特徴とする請求項7に記載の圧電体薄膜(1)の製造方法。
- 上記Scターゲット材は、炭素原子の含有率が1.5/x at%以下のスカンジウムからなることを特徴とする請求項7に記載の圧電体薄膜(1)の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電体薄膜(1)を製造する方法において、
スカンジウムアルミニウム合金からなる合金ターゲット材(10)と基板(2)とを対向するように配置し、上記合金ターゲット材(10)の対向面(105)に対して斜めからイオンビーム(31)を照射し、上記合金ターゲット材(10)からスカンジウム(101)とアルミニウム(102)とを基板(2)上に同時にスパッタリングすることにより、上記圧電体薄膜(1)を製造するイオン照射スパッタリング工程を有し、
該イオン照射スパッタリング工程においては、少なくとも窒素イオンを含む上記イオンビームを照射するか、あるいは少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で上記イオンビームを照射することを特徴とする圧電体薄膜(1)の製造方法。
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