JP6720665B2 - 強誘電体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体素子及びその製造方法に関する。
強誘電体素子は、例えば、強誘電メモリデバイス、センサ、アクチュエータ等の広い用途に使用可能な材料として関心が寄せられている。その中で世の中で一番広く使われている材料はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。現在、強誘電体素子を構成する強誘電体膜はシリコン基板上に形成されているが、埋め込み式キャパシタ装置または撓むことができるウェアラブル装置への適用が可能な他の構造が所望されている。
金属基板の上に強誘電体膜を形成することはこれまでにも行われており、文献で幾つか報告されているが、具体的に商品化することが困難である。商品化することが困難な主な理由としては、強誘電体膜を作製する時、特にＰＺＴのような、蒸発しやすい元素（例えばＰｂ）を含み、かつ、酸素雰囲気で加熱処理が必須な強誘電体膜を形成する場合、試料の撓みが発生して試料全体の平坦性が悪化したり、金属基板が酸化したりする問題が発生する点が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
平坦性が悪化するとその上に成膜等を行う場合に精密なプロセスが実行できず、金属基板が酸化すると強誘電体膜の特性が悪くなる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、平坦性と良好な特性とを兼ね備えた強誘電体素子の製造方法を提供することを課題とする。
本強誘電体素子の製造方法は、金属基板の一方の面上にＥＢ蒸着法またはスパッタ法により絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に、スパッタ法により金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記金属基板、前記絶縁膜、及び前記金属膜を含む構造体を３００℃よりも高い温度で加熱処理する加熱工程と、前記加熱工程後に、前記金属膜上にゾルゲル法で強誘電体膜を形成する強誘電体膜形成工程と、を有し、前記金属基板として、ＦｅとＮｉを含み、Ｎｉの含有量が３０％以上４０％以下である基板を用いることを要件とする。
開示の技術によれば、平坦性と良好な特性とを兼ね備えた強誘電体素子の製造方法を提供できる。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係る強誘電体素子１は、金属基板１１と、絶縁膜１２と、金属膜１３と、強誘電体膜１４と、上部電極１５とを有している。
図１は、第１の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係る強誘電体素子１は、金属基板１１と、絶縁膜１２と、金属膜１３と、強誘電体膜１４と、上部電極１５とを有している。
金属基板１１の厚さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。金属基板１１の厚さを１００μｍ以下とすることにより、フレキシブルな強誘電体素子１を実現できる。
金属基板１１は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）の何れか１つ以上の金属を含む基板であることが好ましい。特に、金属基板１１は、ＦｅとＮｉを含み、Ｎｉの含有量が３０％以上４０％以下であることが好ましい。また、金属基板１１の室温での熱膨張率が５×１０−６／Ｋ以下であることが好ましい。
本実施の形態では、金属基板１１として、室温での熱膨張率が、強誘電体膜１４の室温での熱膨張率の５０％以下である材料を用いる。ここで、室温とは、２７℃±１０℃を意味する（以降同様）。
例えば、強誘電体膜１４としてＰＺＴ結晶膜を用いた場合には、金属基板１１としては、Ｆｅに３６％程度のＮｉを添加した合金であるインバー（以下、Ｎｉ３６％−Ｆｅのインバーとする）を用いることができる。また、Ｆｅに３１％程度のＮｉと５％程度のＣｏを添加した合金であるスーパーインバー（以下、Ｎｉ３１％−Ｃｏ５％−Ｆｅのインバーとする）を用いてもよい。但し、これらには限定されない。
ＰＺＴ結晶膜の室温での熱膨張率は９×１０−６／Ｋ程度である。また、Ｎｉ３６％−Ｆｅのインバーの室温での熱膨張率は、１×１０−６／Ｋ程度である。また、Ｎｉ３１％−Ｃｏ５％−Ｆｅのインバーの室温での熱膨張率は、０．１×１０−６／Ｋ程度である。
なお、ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体であり、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率によって、ＰＺＴの特性が異なる。例えば、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）Ｏ３、一般にはＰＺＴ（５３／４７）と示されるＰＺＴ等を使用することができる。
金属基板１１の一方の面は、表面粗さＲｚが０．５μｍ以下（例えば、Ｒｚ＝０．０８μｍ程度）に研磨（鏡面研磨）されており、研磨された面上に、絶縁膜１２、金属膜１３、強誘電体膜１４、及び上部電極１５が順次積層されている。なお、金属基板１１の一方の面に加え、他方の面（裏面）が研磨されていてもよい。すなわち、金属基板１１として、片方研磨された基板を用いてもよいし、両面研磨された基板を用いてもよい。
絶縁膜１２の材料は、金属基板１１と金属膜１３とを絶縁できれば特に限定されない。絶縁膜１２の材料としては、例えば、アルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）等を用いることができる。或いは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉの元素を含む絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜１２の膜厚は、特に限定されないが、例えば、１０〜２０００ｎｍ程度とすることができる。
金属膜１３は、下部電極として機能する部分である。金属膜１３の材料としては、特に限定されないが、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ロジウム（Ｒｈ）の何れか１つ以上の金属を含む金属膜が挙げられる。また、前記何れか１つ以上の金属の合金を含む金属合金膜、または、前記金属膜若しくは前記金属合金膜を任意に選択して複数層積層した積層膜等が挙られる。金属膜１３の膜厚（積層膜の場合には総厚）は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
ここで、金属膜１３の膜厚を１００ｎｍ以上とするのは、金属膜１３の膜厚が１００ｎｍ未満であると、後述のように、大きなリーク電流が発生するおそれがあるためである。また、金属膜１３の膜厚を５００ｎｍ以下とするのは、５００ｎｍより厚くしてもリーク電流の更なる抑制効果を得ることはできず、コストアップのマイナス効果が生じるためである。
強誘電体膜１４としては、Ｐｂを含有する強誘電体膜を用いてもよいし、Ｐｂを含有しない強誘電体膜を用いてもよい。強誘電体膜１４としては、ＡＢＯ３型の材料を用いることができる。ＡＢＯ３型の材料とは、一般式ＡＢＯ３で記述され、Ａ＝Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ Ｂ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂを主成分とする複合酸化物である。ＡＢＯ３型の材料としては、例えば、前述のＰＺＴやチタン酸バリウム等が挙げられる。
上部電極１５の材料は、特に限定されないが、例えば、金属膜１３の材料として例示した材料を用いることができる。上部電極１５の膜厚は、特に限定されないが、例えば、１００〜３００ｎｍ程度とすることができる。
次に、強誘電体素子１の製造方法について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。
まず、図２（ａ）に示す工程では、支持体となる金属基板１１を準備し、金属基板１１の一方の面を研磨（鏡面研磨）する。研磨は、例えば、バフ研磨等により行うことができる。研磨前の金属基板１１の表面粗さは例えばＲｚ＝０．６μｍ程度であり、研磨後の表面粗さはＲｚが０．５μｍ以下（例えば、Ｒｚ＝０．０８μｍ程度）となる。研磨後、アセトン等を用いて金属基板１１の表面を超音波洗浄することが好ましい。なお、金属基板１１としては、室温での熱膨張率が、後工程で形成する強誘電体膜１４の室温での熱膨張率の５０％以下である基板を用いる。金属基板１１の材料や厚さの具体例は前述の通りである。
研磨後、例えばＥＢ（Electron Beam）蒸着法より、金属基板１１の一方の面（研磨面）上に、３００℃以下の温度条件下（例えば、室温）で絶縁膜１２を形成する。絶縁膜１２の材料や膜厚は前述の通りである。
次に、図２（ｂ）に示す工程では、例えばスパッタ法により、絶縁膜１２上に、３００℃以下の温度条件下（例えば、１５０℃）で金属膜１３を形成する。金属膜１３の材料や膜厚は前述の通りである。
このように３００℃以下の温度条件下で、絶縁膜１２の蒸着工程及び金属膜１３の積層工程を行うことにより、金属基板１１の酸化を避けることができる。その結果、金属基板１１の組成物（例えば、Ｎｉ、Ｆｅ等）が金属膜１３の表面へ拡散することを抑制できる。また、絶縁膜１２を構成するアルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）等は、金属基板１１及び金属膜１３との密着性が良いので、金属膜１３の形成プロセス中に、金属膜１３が絶縁膜１２から剥離することを防止できる。
なお、金属基板１１の酸化により、金属基板１１の組成物が金属膜１３の表面へ拡散すると、後述の比較例１で示すように絶縁膜１２の膜剥がれに繋がり、最終的には強誘電体素子１の特性の悪化として表れる。
次に、金属基板１１、絶縁膜１２、及び金属膜１３を含む構造体をホットプレート等により３００℃よりも高い温度（例えば、３００℃より高く５００℃より低い温度）で加熱処理する。この加熱工程は必須の工程ではないが、加熱工程を設けることにより、結晶性がよい金属膜１３を形成することができる。結晶性がよい金属膜１３を形成することにより、後工程で、金属膜１３上に結晶性がよい強誘電体膜１４を形成することができる。
なお、金属基板１１上に絶縁膜１２及び金属膜１３を積層後に、金属基板１１、絶縁膜１２、及び金属膜１３を含む構造体を３００℃よりも高い温度で加熱処理しても、上記の金属基板１１の酸化の問題は生じない。これは、金属基板１１上に形成された各膜が表面から金属基板１１への酸素の侵入を遮断するためである。
次に、図２（ｃ）に示す工程では、金属膜１３上にゾルゲル法で強誘電体膜１４０を形成する。強誘電体膜１４０は、複数層積層して厚膜化することにより強誘電体膜１４となる層である。強誘電体膜１４０は、酸素が存在する雰囲気中で形成することが好ましい。これは、強誘電体膜１４０中の酸素欠陥を低減するためである。
強誘電体膜１４０としてＰＺＴ膜を形成する場合には、例えば、出発材料である酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、及びチタンアルコキシド化合物を共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させて、均一溶媒であるＰＺＴ前駆体溶液（ＰＺＴゾルゲル液）を合成する。そして、例えば、スピンコート法により、金属膜１３上にＰＺＴ前駆体溶液を塗布してＰＺＴ塗布膜を形成する。なお、合成したＰＺＴ前駆体溶液の複合酸化物固体分濃度は、例えば、０．５モル／リットル以下程度とすることができる。
次に、絶縁膜１２、金属膜１３、及びＰＺＴ塗布膜が形成された金属基板１１を、例えばホットプレート（図示せず）上に載置し、例えば、２２０℃程度に加熱する。これにより、溶媒が蒸発し、ＰＺＴ塗布膜は熱分解され、固体のＰＺＴアモルファス膜（非晶質の酸化物膜）となる。次に、電気炉やＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置等で６００〜７００℃で３分程度加熱処理することにより、ＰＺＴアモルファス膜は強誘電体膜１４０であるＰＺＴ結晶膜となる。なお、一回の処理で形成できる強誘電体膜１４０の膜厚は３０ｎｍ〜８０ｎｍ程度である。
次に、図２（ｄ）に示す工程では、図２（ｃ）に示す工程を繰り返して膜厚３０ｎｍ〜８０ｎｍ程度の強誘電体膜１４０を順次積層して厚膜化し、所望の膜厚の強誘電体膜１４（例えば、ＰＺＴ結晶膜）を形成する。強誘電体膜１４の膜厚は、例えば、６００ｎｍ程度とすることができる。
次に、図２（ｅ）に示す工程では、強誘電体膜１４上に、上部電極１５として、所定の電極パターンとされた膜厚２００ｎｍ程度の白金膜（Ｐｔ膜）等を積層する。上部電極１５は、例えば、メタルマスクを使ってスパッタ法により所定の電極パターンに形成できる。以上の工程により、図１に示す強誘電体素子１が完成する。
このように、強誘電体素子１において、金属基板１１として室温での熱膨張率が強誘電体膜１４の室温での熱膨張率の５０％以下である材料を用いることにより、製造工程中での金属基板１１の伸縮が抑制できる。そのため、作製された強誘電体素子１は、撓みが殆どない良好な平坦性と、良好な電気特性（例えば、Ｐ−Ｅ曲線）を得ることができる。なお、金属基板１１の表面の平坦性が良好であるため、その上に積層する各膜の表面の平坦性も良好となる。
また、金属基板１１の膜厚を１００μｍ以下とすることにより、フレキシブルな強誘電体素子１を実現できる。平坦性及び電気特性が良好でフレキシブルな強誘電体素子１は、例えば、センサ、キャパシタ、アクチュエータ、エナジーハーベスト等の広い領域に応用できる。この場合、下部電極となる金属膜１３と上部電極１５から配線を引き出して外部回路と接続する。
〈第１の実施の形態の変形例１〉
図３は、第１の実施の形態の変形例１に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図３を参照するに、第１の実施の形態の変形例１に係る強誘電体素子２では、絶縁膜１２と金属膜１３との間に絶縁膜１６が追加された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。つまり、金属基板１１上に形成される絶縁膜が、絶縁膜１２と絶縁膜１６との積層構造とされている。
図３は、第１の実施の形態の変形例１に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図３を参照するに、第１の実施の形態の変形例１に係る強誘電体素子２では、絶縁膜１２と金属膜１３との間に絶縁膜１６が追加された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。つまり、金属基板１１上に形成される絶縁膜が、絶縁膜１２と絶縁膜１６との積層構造とされている。
絶縁膜１２及び１６としては、例えば、アルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）等を適宜組み合わせることができる。絶縁膜１２の膜厚は１００ｎｍ程度が好ましく、絶縁膜１６の膜厚は１５０ｎｍ程度が好ましい。
絶縁膜１２及び１６を形成するには、まず、金属基板１１の一方の面上に絶縁膜１２をスパッタ法等で形成し、更に絶縁膜１２上に絶縁膜１６をスパッタ法等で形成すればよい。絶縁膜１２及び１６は、３００℃以下の温度条件下（例えば、室温）で形成することが好ましい。強誘電体素子２において、その他の製造工程は、図２に示した各工程と同様である。
このように、金属基板１１上に形成される絶縁膜を絶縁膜１２と絶縁膜１６との積層構造とすることで、各層の材料や膜厚の選定により強誘電体素子２の内部の応力調整ができるので、平坦性がよりよい強誘電体素子を作製できる。その他の効果については、第１の実施の形態と同様である。
〈第１の実施の形態の変形例２〉
図４は、第１の実施の形態の変形例２に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図４を参照するに、第１の実施の形態の変形例２に係る強誘電体素子３では、金属膜１３と強誘電体膜１４との間にシード膜１７が追加された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。
図４は、第１の実施の形態の変形例２に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図４を参照するに、第１の実施の形態の変形例２に係る強誘電体素子３では、金属膜１３と強誘電体膜１４との間にシード膜１７が追加された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。
シード膜１７としては、例えば、膜厚５０ｎｍ程度のＳｒＲｕＯ３膜等を用いることができる。シード膜１７は、例えば、スパッタ法により形成できる。強誘電体素子３において、その他の製造工程は、図２に示した各工程と同様である。
このように、シード膜１７としてＳｒＲｕＯ３膜を用いることにより、シード膜１７上に、強誘電体膜１４として（１１１）配向があるＰＺＴ結晶膜を作製できる。その他の効果については、第１の実施の形態と同様である。なお、この場合、ＳｒＲｕＯ３膜とＰＺＴ結晶膜の積層構造が強誘電体膜として機能する。
シード膜１７はＳｒＲｕＯ３膜に限らず、要求される配向に応じて、他のシード膜、例えばＩｒＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３等の膜を用いても構わない。なお、シード膜１７を設けない場合には、強誘電体膜１４はランダムな配向となる。
〈第２の実施の形態〉
図５は、第２の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図５を参照するに、第２の実施の形態に係る強誘電体素子４では、金属膜１３上に部分的に強誘電体膜１４が形成され、強誘電体膜１４の周囲にＰＺＴアモルファス膜１８が形成された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。
図５は、第２の実施の形態に係る強誘電体素子を例示する断面図である。図５を参照するに、第２の実施の形態に係る強誘電体素子４では、金属膜１３上に部分的に強誘電体膜１４が形成され、強誘電体膜１４の周囲にＰＺＴアモルファス膜１８が形成された点が、強誘電体素子１（図１参照）と相違する。
図６は、第２の実施の形態に係る強誘電体素子の製造工程を例示する図である。まず、図２（ａ）及び図２（ｂ）と同様の工程を実行する。その後、図６（ａ）に示す工程では、酸素が存在する雰囲気中で、金属膜１３上にＰＺＴアモルファス膜１８を形成する。
具体的には、図２（ｃ）と同様の工程と同様にしてＰＺＴ前駆体溶液（ＰＺＴゾルゲル液）を合成し、例えば、スピンコート法により、金属膜１３上にＰＺＴ前駆体溶液を塗布してＰＺＴ塗布膜を形成する。なお、合成したＰＺＴ前駆体溶液の複合酸化物固体分濃度は、例えば、０．５モル／リットル以下程度とすることができる。
次に、絶縁膜１２、金属膜１３、及びＰＺＴ塗布膜が形成された金属基板１１を、例えばホットプレート（図示せず）上に載置し、例えば、２２０℃程度に加熱する。これにより、溶媒が蒸発し、ＰＺＴ塗布膜は熱分解され、固体のＰＺＴアモルファス膜１８（非晶質の酸化物膜）となる。
次に、図６（ｂ）に示す工程では、金属基板１１をレーザ照射によって部分的に加熱することにより、ＰＺＴアモルファス膜１８を局部的に加熱し（レーザアニール処理し）、強誘電体膜１４０であるＰＺＴ結晶膜を形成する。具体的には、例えば、図６（ａ）に示す構造体をステージ上に載置し、ステージを移動しながらフラットトップを持つ連続発振のレーザ光Ｌ（例えば、波長９８０ｎｍ付近）を半導体レーザから局部的に照射して、ＰＺＴアモルファス膜１８の結晶化を行う。なお、レーザ光Ｌを照射しない領域は、ＰＺＴアモルファス膜１８のままである。また、一回の処理で形成できる強誘電体膜１４０の膜厚は３０ｎｍ〜８０ｎｍ程度である。
金属基板１１に照射されるレーザ光Ｌのビーム形状は、例えば、略長方形とすることができる。レーザ光Ｌのビームサイズは、例えば、１ｍｍ×０．３５ｍｍとすることができる。レーザ光Ｌのエネルギー密度は、例えば、１０〜１×１０６Ｗ／ｃｍ２程度とすることができる。レーザ光Ｌの照射時間は、例えば、１ｍｓ〜１ｓ程度とすることができる。
例えば、金属基板１１がＮｉ３６％−Ｆｅのインバーである場合、波長９８０ｎｍ付近の吸収係数が非常に大きく、１×１０６ｃｍ−１程度である。従って、金属基板１１に侵入したレーザ光Ｌは深さが１００ｎｍ以内の領域に吸収されて、熱に変わる。熱はＰＺＴアモルファス膜１８側に拡散し、熱分解処理された膜を加熱して、結晶化させる。
ここで、金属基板１１の厚みは１００μｍ以下（例えば、５０μｍ程度）で、絶縁膜１２の膜厚は３０ｎｍ程度しかないので、各層の裏面から表面へ拡散する熱はロスが少ない状態で表面側に到達できる。
ここで、金属基板１１の厚みは１００μｍ以下（例えば、５０μｍ程度）で、絶縁膜１２の膜厚は３０ｎｍ程度しかないので、各層の裏面から表面へ拡散する熱はロスが少ない状態で表面側に到達できる。
次に、図６（ｃ）に示す工程では、図６（ｂ）に示す工程を繰り返して膜厚３０ｎｍ〜８０ｎｍ程度の強誘電体膜１４０を順次積層して厚膜化し、所望の膜厚の強誘電体膜１４（ここでは、ＰＺＴ結晶膜）を形成する。強誘電体膜１４の膜厚は、例えば、６００ｎｍ程度とすることができる。なお、レーザ光Ｌを照射しない領域は、ＰＺＴアモルファス膜１８のままである。
金属基板１１がＮｉ３６％−Ｆｅのインバーである場合、金属基板１１の熱膨張率は、室温において僅か１×１０−６／Ｋ程度であるので、レーザを用いて局部加熱しても、平坦性の良い強誘電体素子が得られる。また、局部加熱法を利用して、少ない消費電力で結晶化できるので、コストダウンにつながる。また、光の制御によって直接結晶パターンを形成できる点で好適である。更に、局部加熱により他の素子に影響を与えることなく結晶化できるので、強誘電体素子を他の素子と容易に集積できる。
なお、本実施の形態では、連続発振のレーザ光を用いる例を説明したが、パルス発振のレーザ光を用いてもよい。また、波長９８０ｎｍ付近のレーザ光に代えて、他の波長のレーザ光を用いてもよい。また、半導体レーザに代えて、レーザ媒質が異なる他のレーザを用いてもよい。
また、局部加熱用の光源として、レーザに代えて、例えば、赤外線、マイクロ波等の電磁波を用いてもよい。局部加熱用の光源は、金属基板１１の裏面側から照射する必要はなく、強誘電体膜１４側から照射しても構わない。
また、本実施の形態では、強誘電体膜１４がＰＺＴである場合について説明したが、強誘電体膜１４は第１の実施の形態で例示した他の材料（チタン酸バリウム等）であってもよい。
〈実施例〉
実施例１では、図１に示す強誘電体素子１を作製した。具体的には、金属基板１１として膜厚５０μｍ程度のＮｉ３６％−Ｆｅのインバーの金属箔を準備し、金属基板１１の一方の面を研磨（鏡面研磨）した。研磨前の金属基板１１の表面粗さはＲｚ＝０．６μｍ程度であり、研磨後の表面粗さは例えばＲｚ＝０．０８μｍ程度となった。研磨後、アセトンを用いて金属基板１１の表面を超音波洗浄した。超音波洗浄後、室温で、ＥＢ蒸着法より、金属基板１１の一方の面（研磨面）上に、絶縁膜１２として、膜厚３０ｎｍ程度のアルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を形成した（図２（ａ）参照）。
実施例１では、図１に示す強誘電体素子１を作製した。具体的には、金属基板１１として膜厚５０μｍ程度のＮｉ３６％−Ｆｅのインバーの金属箔を準備し、金属基板１１の一方の面を研磨（鏡面研磨）した。研磨前の金属基板１１の表面粗さはＲｚ＝０．６μｍ程度であり、研磨後の表面粗さは例えばＲｚ＝０．０８μｍ程度となった。研磨後、アセトンを用いて金属基板１１の表面を超音波洗浄した。超音波洗浄後、室温で、ＥＢ蒸着法より、金属基板１１の一方の面（研磨面）上に、絶縁膜１２として、膜厚３０ｎｍ程度のアルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を形成した（図２（ａ）参照）。
次に、１５０℃以下の温度条件下で、スパッタ法により、絶縁膜１２上に、金属膜１３として、膜厚２００ｎｍ程度の白金膜（Ｐｔ膜）を積層した。そして、金属基板１１上に絶縁膜１２及び金属膜１３が順次積層された構造体をホットプレートにより、３００℃より高く５００℃より低い温度で加熱処理した（図２（ｂ）参照）。
次に、図２（ｃ）を参照して説明したようにＰＺＴ前駆体溶液（ＰＺＴゾルゲル液）を合成し、スピンコート法により、金属膜１３上にＰＺＴ前駆体溶液を塗布してＰＺＴ塗布膜を形成した。そして、絶縁膜１２、金属膜１３、及びＰＺＴ塗布膜が形成された金属基板１１を、ホットプレート上に載置し、２２０℃程度に加熱して溶媒を蒸発させ、ＰＺＴ塗布膜を熱分解して固体のＰＺＴアモルファス膜を形成した。次に、ＲＴＡ装置で６００〜７００℃で３分程度加熱処理し、ＰＺＴアモルファス膜を強誘電体膜１４０であるＰＺＴ結晶膜とした（図２（ｃ）参照）。
次に、上記の工程を繰り返して強誘電体膜１４０を順次積層して厚膜化し、膜厚６００ｎｍ程度の強誘電体膜１４を形成した（図２（ｄ）参照）。次に、強誘電体膜１４上に、メタルマスクを使ってスパッタ法により、上部電極１５として、所定の電極パターンとされた膜厚２００ｎｍ程度の白金膜（Ｐｔ膜）を積層した。以上の工程により、図１に示す強誘電体素子１が完成した。
強誘電体素子１において、金属基板１１（Ｎｉ３６％−Ｆｅのインバー）の室温での熱膨張率は１×１０−６／Ｋ程度である。これに対して、強誘電体膜１４（ＰＺＴ結晶膜）の室温での熱膨張率は９×１０−６／Ｋ程度である。つまり、金属基板１１（Ｎｉ３６％−Ｆｅのインバー）の室温での熱膨張率は、強誘電体膜１４（ＰＺＴ結晶膜）の室温での熱膨張率の１１％程度であり、第１の実施の形態で説明した『金属基板１１の室温での熱膨張率が、強誘電体膜１４の室温での熱膨張率の５０％以下である』という条件を十分に満足している。
これにより、製造工程中での金属基板１１の伸縮が抑制できるため、作製された強誘電体素子１は、図７に示すように撓みが殆どなく平坦であり、図８に示すように良好なＰ−Ｅ曲線を得ることができた。なお、発明者らに検討によれば、金属基板１１の室温での熱膨張率が強誘電体膜１４の室温での熱膨張率の５０％以下であれば、上記と同様に、撓みが殆どなく平坦で、良好なＰ−Ｅ曲線を得られることが確認されている。
〈比較例１〉
比較例１では、実施例１に係る強誘電体素子１において、絶縁膜１２として酸化チタン膜（ＴｉＯＸ膜）を用いた。酸化チタン膜は、１５０℃の温度条件下でスパッタ法で蒸着したチタン膜（Ｔｉ膜）を７００℃で酸化処理して得た。
比較例１では、実施例１に係る強誘電体素子１において、絶縁膜１２として酸化チタン膜（ＴｉＯＸ膜）を用いた。酸化チタン膜は、１５０℃の温度条件下でスパッタ法で蒸着したチタン膜（Ｔｉ膜）を７００℃で酸化処理して得た。
このように作製した強誘電体素子の表面には大きな粒状構造が見え、膜剥離が発生している箇所もあった。これは、Ｔｉ膜を７００℃で酸化処理する時に、金属基板１１も酸化されてしまうことが原因である。金属基板１１中のＮｉまたはＦｅは、拡散効果によって金属膜の表面に集まって大きな酸化物粒になる。この粒構造の存在は部分的に絶縁膜である酸化チタン膜（ＴｉＯＸ膜）の密着性を壊して、膜剥がれを引き起こさせたと考えられる。
〈比較例２〉
比較例２では、実施例１に係る強誘電体素子１において、金属膜１３として、膜厚が５０ｎｍの白金膜（Ｐｔ膜）を用いた。この場合、上下電極間でリーク電流が大きく、Ｐ−Ｅ曲線の評価をすることができなかった。
比較例２では、実施例１に係る強誘電体素子１において、金属膜１３として、膜厚が５０ｎｍの白金膜（Ｐｔ膜）を用いた。この場合、上下電極間でリーク電流が大きく、Ｐ−Ｅ曲線の評価をすることができなかった。
金属膜１３である白金膜の膜厚が研磨後の金属基板１１の表面粗さより小さい場合、金属膜１３で金属基板１１の表面粗さが露出しない程度に全面を覆うことができない。そのため、金属膜１３から露出している部分の金属基板１１上に絶縁膜１２を介して強誘電体膜１４が形成され、大きなリーク電流が生じたと考えられる。
〈比較例３〉
比較例３では、実施例１に係る強誘電体素子１において、金属基板１１としてＰＺＴの熱膨張率（室温での熱膨張率：９×１０−６／Ｋ程度）に近いＳＵＳ４３０（室温での熱膨張率：１０．５×１０−６／Ｋ程度）を用いた。
比較例３では、実施例１に係る強誘電体素子１において、金属基板１１としてＰＺＴの熱膨張率（室温での熱膨張率：９×１０−６／Ｋ程度）に近いＳＵＳ４３０（室温での熱膨張率：１０．５×１０−６／Ｋ程度）を用いた。
この場合、製膜終了後に、図９に示すように、試料（金属基板及びその上に形成した各膜）が大きく曲がっている。曲がる方向の曲率半径はＲ＝３０ｃｍ程度である。このような大きな曲り（ベンディング）があると、強誘電体膜の特性が悪くなり、その上に成膜等を行う場合に精密なプロセスが実行できない。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、第２の実施の形態と、第１の実施の形態の変形例１や変形例２とを組み合わせてもよい。
１、２、３、４ 強誘電体素子
１１ 金属基板
１２、１６ 絶縁膜
１３ 金属膜
１４、１４０ 強誘電体膜
１５ 上部電極
１７ シード膜
１８ ＰＺＴアモルファス膜
１１ 金属基板
１２、１６ 絶縁膜
１３ 金属膜
１４、１４０ 強誘電体膜
１５ 上部電極
１７ シード膜
１８ ＰＺＴアモルファス膜
J. Micromech. Microeng, 23, 125028(2013)
Claims (15)
- 金属基板の一方の面上にＥＢ蒸着法またはスパッタ法により絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に、スパッタ法により金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記金属基板、前記絶縁膜、及び前記金属膜を含む構造体を３００℃よりも高い温度で加熱処理する加熱工程と、
前記加熱工程後に、前記金属膜上にゾルゲル法で強誘電体膜を形成する強誘電体膜形成工程と、を有し、
前記金属基板として、ＦｅとＮｉを含み、Ｎｉの含有量が３０％以上４０％以下である基板を用いることを特徴とする強誘電体素子の製造方法。 - 前記絶縁膜形成工程よりも前に、前記金属基板の一方の面を研磨する研磨工程を有することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記金属基板の室温での熱膨張率が５×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記金属基板はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄの何れか１つ以上の金属を含む基板であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記絶縁膜形成工程は、前記金属基板の一方の面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記金属膜形成工程は、前記金属膜を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚で形成することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記強誘電体膜形成工程は、前記金属基板をレーザ照射により部分的に加熱して前記強誘電体膜を結晶化する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 前記強誘電体膜形成工程では、酸素雰囲気中で前記強誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の強誘電体素子の製造方法。
- 金属基板と、
前記金属基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された金属膜と、
前記金属膜上に形成された強誘電体膜と、を有し、
前記金属基板の強誘電体膜を備える側の表面粗さＲｚは０．５μｍ以下であり、
前記金属基板はＦｅとＮｉを含み、Ｎｉの含有量が３０％以上４０％以下であることを特徴とする強誘電体素子。 - 前記金属基板の室温での熱膨張率が５×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項９に記載の強誘電体素子。
- 前記金属基板はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄの何れか１つ以上の金属を含む基板であることを特徴とする請求項９または１０に記載の強誘電体素子。
- 前記金属基板の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか一項に記載の強誘電体素子。
- 前記金属膜は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｒｈの何れか１つ以上の金属を含む金属膜、前記何れか１つ以上の金属の合金を含む金属合金膜、または、前記金属膜若しくは前記金属合金膜の中から選択した２以上の膜を積層した積層膜であることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか一項に記載の強誘電体素子。
- 前記金属膜の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９乃至１３の何れか一項に記載の強誘電体素子。
- 前記絶縁膜形成工程は、前記金属基板の一方の面上に前記ＥＢ蒸着法または前記スパッタ法により１５０℃以下の温度条件下で絶縁膜を形成し、
前記金属膜形成工程は、前記絶縁膜上に、前記スパッタ法により１５０℃以下の温度条件下で金属膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体素子の製造方法。
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