WO2022050130A1 - Ｍｅｍｓセンサおよびその製造方法 - Google Patents

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哲也 榎本
明彦 勅使河原
英雄 山田
祐輔 川合
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株式会社デンソー
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    • H10N30/308—Membrane type

Definitions

  • the present disclosure relates to a MEMS (abbreviation of Micro Electro Mechanical Systems) sensor having a piezoelectric film composed of scandium aluminum nitride (hereinafter, also referred to as ScAlN) and a method for manufacturing the same.
  • MEMS abbreviation of Micro Electro Mechanical Systems
  • ScAlN scandium aluminum nitride
  • the carbon concentration of the piezoelectric film is set to 2.5 at% or less so that the piezoelectric characteristics can be improved.
  • a piezoelectric film is formed by sputtering using a target material.
  • the MEMS sensor uses a target material composed of ScAl (scandium aluminum) having a carbon concentration of 5 at% or less so that the carbon concentration in the piezoelectric film is 2.5 at% or less. ..
  • the MEMS sensor comprises a substrate on which a diaphragm portion is formed and a piezoelectric film arranged on the diaphragm portion, the piezoelectric film being composed of ScAlN nitride and having a carbon concentration. Is 2.5 at% or less and the oxygen concentration is 0.35 at% or less.
  • the piezoelectric film 20 has a carbon concentration of 2.5 at% or less and an oxygen concentration of 0.35 at% or less. Therefore, it is possible to suppress the decrease in the piezoelectric strain constant and the decrease in the piezoelectric characteristics.
  • a substrate and a target material are arranged in a chamber, and a piezoelectric film is formed by sputtering. Before, the substrate is heat-treated.
  • the piezoelectric film when the piezoelectric film is formed, it is possible to suppress an increase in the water vapor pressure in the chamber, and it is possible to suppress an increase in the oxygen concentration of the piezoelectric film. Therefore, it is possible to manufacture a MEMS sensor in which the deterioration of the piezoelectric characteristics is suppressed.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the oxygen concentration in the target material, the piezoelectric strain constant, and the water vapor pressure in the chamber in FIG.
  • FIG. 6 shows the partial pressure in a chamber when a substrate is arranged in a chamber without heat treatment, and sputtering is performed.
  • FIG. 6 shows the partial pressure in a chamber when a substrate is heat-treated and then arranged in a chamber and sputtering is performed.
  • the first embodiment will be described with reference to the drawings.
  • an ultrasonic sensor as a MEMS sensor will be described as an example.
  • the ultrasonic sensor of the present embodiment is suitable for being applied to, for example, an object detection device mounted around a bumper of a vehicle and detecting an object located around the vehicle.
  • the ultrasonic sensor of the present embodiment is configured such that a diaphragm portion 11 is formed on a substrate 10 made of silicon or the like, and a piezoelectric film 20 is formed on the diaphragm portion 11.
  • the diaphragm portion 11 is not particularly limited, but in the present embodiment, the planar shape is circular.
  • the piezoelectric film 20 is made of ScAlN and is smaller than the planar shape of the diaphragm portion 11. The specific configuration of the piezoelectric film 20 will be described later.
  • a pad portion 30 electrically connected to the piezoelectric film 20 or the like is formed on the substrate 10 via a wiring pattern or the like (not shown).
  • a wiring pattern or the like not shown.
  • the piezoelectric film 20 is configured by using ScAlN as described above.
  • the piezoelectric film 20 improves the piezoelectric strain constant as the concentration of Sc increases (that is, the concentration of Sc increases). It is possible to improve the sensitivity.
  • Non-Patent Document 1 and the like it is reported that the piezoelectric strain constant d33 increases sharply when Sc x Al 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) is set to 0.3 ⁇ x. ing.
  • Non-Patent Document 1 Keiichi Umeda; H. Kawai; A). .Honda; M.Akiyama; T.Kato; T. Fukura "Piezoelectric properties of ScAlN thin films for piezo-MEMS devices" 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems March 7, 2013).
  • FIGS. 2 and 3 show the results when 0.3 ⁇ x in Sc x Al 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) constituting the piezoelectric film 20.
  • the piezoelectric strain constant d33 gradually decreases when the carbon concentration exceeds 0.7 at%, and sharply decreases when the carbon concentration exceeds 2.5 at%. .. Further, as shown in FIG. 3, it is confirmed that the piezoelectric strain constant d33 gradually decreases when the oxygen concentration exceeds 0.1 at%, and sharply decreases when the oxygen concentration exceeds 0.35 at%.
  • the piezoelectric film 20 has a carbon concentration of 2.5 at% or less and an oxygen concentration of 0.35 at% or less.
  • the piezoelectric film 20 preferably has a carbon concentration of 0.7 at% or less and an oxygen concentration of 0.1 at% or less.
  • the carbon concentration at% here is the number of carbon atoms with respect to the total number of Sc atoms, Al atoms, and N atoms in the piezoelectric film 20 of 100 at%.
  • at% as the oxygen concentration is the number of carbon atoms with respect to the total number of Sc atoms, Al atoms, and N atoms of the piezoelectric film 20 of 100 at%.
  • FIG. 4 Each numerical value in FIG. 4 indicates a piezoelectric strain constant d33 [pC / N].
  • the case where the piezoelectric strain constant d33 is 19 [pC / N] or more is indicated by a double circle, and the piezoelectric strain constant d33 is 17 [pC / N] or more and less than 19 [pC / N].
  • the case of is indicated by a circle.
  • FIG. 4 shows the results when 0.3 ⁇ x in Sc x Al 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) constituting the piezoelectric film 20.
  • 17 [pC / N] of the piezoelectric strain constant d33 is a value at which the piezoelectric strain constant d33 begins to decrease sharply from FIGS. 2 and 3, and 19 [pC / N] of the piezoelectric strain constant d33 is FIG. And from FIG. 3, it is a value at which the piezoelectric strain constant d33 starts to gradually decrease.
  • the region A in FIG. 4 shows a region when the carbon concentration is 2.5 at% or less and the oxygen concentration is 0.35 at% or less. Further, the region B in FIG. 4 shows a region when the carbon concentration is 0.7 at% or less and the oxygen concentration is 0.1 at% or less.
  • the piezoelectric strain constant d33 is 17 [pC / N] or more even in the region C where the carbon concentration is 2.5 at% or less and the oxygen concentration is 0.1 at% or less. Become. Further, the piezoelectric strain constant d33 is 17 [pC / N] or more even in the region D where the carbon concentration is 1.0 at% or less and the oxygen concentration is 0.2 at% or less. Further, the piezoelectric strain constant d33 is 17 [pC / N] or more even in the region E where the carbon concentration is 0.3 at% or less and the oxygen concentration is 0.35 at% or less.
  • the carbon concentration and the oxygen concentration are in the above ranges, and it is sufficiently suppressed that the piezoelectric strain constant d33 is lowered by setting the carbon concentration and the oxygen concentration in the above ranges. can.
  • the substrate 10 and the target material 50 are arranged to face each other in the chamber 40, and the substrate 10 and the target material 50 are placed.
  • the target material 50 is a ScAl alloy, and a material having an elemental composition ratio of Sc and Al of about 0.45: 0.55 is used.
  • Such a target material 50 is composed of, for example, melting, low oxygen sintering in a state where the oxygen concentration in the surroundings is thin, or normal sintering in which the oxygen concentration in the surroundings is similar to that of the atmosphere.
  • the piezoelectric film 20 is formed into a film, sputtering is performed to form the piezoelectric film 20 by adhering atoms from the target material 50 to the substrate 10.
  • the sputtering pressure is 0.16 Pa
  • the nitrogen concentration is 43% by volume
  • the target power density is 10 W / cm 2
  • the substrate temperature is 300 ° C.
  • the sputtering time is 200 minutes.
  • the pressure inside the chamber 40 is reduced to 5 ⁇ 10 -5 Pa or less, and 99.999% by volume argon gas and 99.999% by volume nitrogen gas are introduced into the chamber 40. conduct.
  • a high-frequency voltage is applied to the high-frequency power supply 60 so that high-frequency plasma is formed on the surface of the target material 50, and positive ions in the plasma are transferred to the target material 50 by the self-bias effect. Collide.
  • the positive ions in the plasma are nitrogen ions and argon ions. Then, by causing the positive ions to collide with the target material 50, the Sc atom 71 and the Al atom 72 are repelled from the target material 50 and sputtered onto the substrate 10.
  • the piezoelectric film 20 composed of ScAlN is formed on the substrate 10 in this way.
  • the number of carbon atoms with respect to the total amount of 100 at% of the number of Sc atoms and the number of Al atoms in the target material 50 is defined as the carbon concentration of the target material 50.
  • the carbon concentration of the piezoelectric film can be set to 2.5 at% or less when the piezoelectric film 20 is formed by sputtering. The lower the carbon concentration of the target material 50 in the piezoelectric film 20, the lower the carbon concentration of the piezoelectric film 20.
  • the present inventors have diligently studied the relationship between sputtering and the oxygen concentration of the piezoelectric film 20.
  • the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 depends on the pressure related to oxygen in the chamber 40, the oxygen concentration of the target material 50, and the water content adhering to the substrate 10. Therefore, the present inventors investigated the influence of the pressure on oxygen in the chamber 40, the oxygen concentration of the target material 50, and the moisture adhering to the substrate 10, and FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9A, And the results shown in FIG. 9B were obtained.
  • FIG. 6 shows the result of the relationship between the water vapor pressure in the chamber (hereinafter, also simply referred to as the water vapor pressure) and the oxygen concentration of the piezoelectric film. Further, the value of each plot in FIG. 8 indicates the water vapor pressure in the chamber in FIG. Further, FIGS. 6 to 8 are views showing the results of heat treatment of the substrate 10 as shown in FIG.
  • the substrate 10 is heated at a temperature higher than the temperature at which sputtering is performed. It is a figure which shows the result at the time of processing. Further, at% as the oxygen concentration of the target material in FIG. 6 is the number of oxygen atoms with respect to the total amount of 100 at% of the number of Sc atoms and the number of Al atoms in the target material 50. Melting, low oxygen sintering, and normal sintering next to each numerical value in the oxygen concentration of the target material in FIG. 6 show a method for producing the target material 50.
  • the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 increases as the water vapor pressure in the chamber 40 increases. Further, as shown in FIGS. 6 to 8, it is confirmed that the piezoelectric strain constant d33 becomes lower because the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 increases as the oxygen concentration in the target material 50 increases. Therefore, in order to form the piezoelectric film 20 having a low oxygen concentration, the water vapor pressure in the chamber 40 may be lowered or the oxygen concentration in the target material 50 may be lowered.
  • FIG. 9A when the substrate 10 is not heat-treated and the sputtering is performed in a state where the moisture adheres to the substrate 10, the moisture adhering to the substrate 10 evaporates. It is confirmed that the water vapor pressure in the chamber 40 increases.
  • FIG. 9B when the substrate 10 is heat-treated to remove water from the substrate 10 and then sputtering is performed, it is confirmed that the water vapor pressure in the chamber becomes substantially constant.
  • the piezoelectric film 20 when the piezoelectric film 20 is formed into a film by sputtering, it is possible to suppress an increase in the water vapor pressure in the chamber 40 by making the substrate 10 free of water, and the piezoelectric film having a low oxygen concentration. 20 can be formed.
  • the heat treatment of the substrate 10 is preferable because the heat treatment is performed at a temperature higher than the temperature at which the sputtering is performed, so that the generation of water vapor from the substrate 10 can be sufficiently suppressed during the sputtering.
  • FIG. 9B shows the result of using the substrate 10 which has been heat-treated at a temperature higher than the temperature at which sputtering is performed.
  • the oxygen concentration of the piezoelectric membrane 20 when the oxygen concentration of the piezoelectric membrane 20 is 0.7 at% or less, the oxygen concentration of the target material 50 is 0.0387 at% or less, and the water vapor pressure in the chamber 40 is 14.8 ⁇ Pa or less.
  • the piezoelectric film 20 may be formed by using the heat-treated substrate 10. In this case, the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 can be further lowered by further lowering the oxygen concentration of the target material 50. Therefore, when it is desired to further reduce the oxygen concentration of the target material 50, the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 can be reduced to 0.7 at% or less even if the water vapor pressure in the chamber 40 is 14.8 ⁇ Pa or more. In some cases.
  • the water vapor pressure in the chamber 40 and the oxygen concentration of the target material 50 can be appropriately changed as long as the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 becomes a desired value.
  • the water vapor pressure in the chamber 40 can be lowered, and the oxygen concentration of the piezoelectric film 20 can be suppressed from increasing.
  • the piezoelectric film 20 has a carbon concentration of 2.5 at% or less and an oxygen concentration of 0.35 at% or less. Therefore, it is possible to prevent the piezoelectric strain constant d33 from decreasing. In this case, the piezoelectric film 20 has a carbon concentration of 0.7 at% or less and an oxygen concentration of 0.1 at% or less, so that the piezoelectric strain constant d33 can be further suppressed from being lowered.
  • the piezoelectric film 20 can sufficiently suppress the decrease of the piezoelectric strain constant d33 by setting the carbon concentration to 2.5 at% or less and the oxygen concentration to 0.1 at% or less. By setting the carbon concentration to 1.0 at% or less and the oxygen concentration to 0.2 at% or less, the piezoelectric film 20 can sufficiently suppress the decrease in the piezoelectric strain constant d33. By setting the carbon concentration to 0.3 at% or less and the oxygen concentration to 0.35 at% or less, the piezoelectric film 20 can sufficiently suppress the decrease in the piezoelectric strain constant d33.
  • the heat-treated substrate 10 is used. Therefore, when the piezoelectric film 20 is formed into a film, it is possible to suppress an increase in the water vapor pressure in the chamber 40, and it is possible to suppress an increase in the oxygen concentration of the piezoelectric film 20. In this case, by heat-treating the substrate 10 at a temperature higher than the temperature at which the sputtering is performed, it is difficult for water vapor to be generated from the substrate 10 at the time of sputtering, so that the water vapor pressure in the chamber 40 becomes high. It can be further suppressed.
  • the substrate 10 may be heat-treated at a temperature lower than the temperature at which sputtering is performed. Even if the heat treatment is performed in this way, the water adhering to the substrate 10 can be removed by the heat treatment, so that it is possible to suppress an increase in the water vapor pressure in the chamber 40 during sputtering. That is, it is possible to suppress an increase in the oxygen concentration of the piezoelectric film 20.
  • the MEMS sensor of the first embodiment can be applied to a sensor other than an ultrasonic sensor, and can be applied to, for example, a pressure sensor having a piezoelectric film 20 on a diaphragm portion 11. It is possible.

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Abstract

ダイヤフラム部（１１）が形成された基板（１０）と、ダイヤフラム部（１１）上に配置された圧電膜（２０）と、を備える。圧電膜（２０）は、スカンジウムアルミニウム窒化物で構成され、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下となるようにする。

Description

ＭＥＭＳセンサおよびその製造方法 関連出願への相互参照
　本出願は、２０２０年９月１日に出願された日本特許出願番号２０２０－１４６９７５号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
　本開示は、スカンジウムアルミニウム窒化物（以下では、ＳｃＡｌＮともいう）で構成される圧電膜を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systemsの略）センサおよびその製造方法に関する。
　従来より、ＭＥＭＳセンサとして、ＳｃＡｌＮで構成される圧電膜を有する超音波センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このＭＥＭＳセンサでは、圧電膜の炭素濃度を２．５ａｔ％以下とすることにより、圧電特性を向上できるようにしている。
　なお、このＭＥＭＳセンサは、圧電膜がターゲット材を用いたスパッタリングで成膜される。この場合、上記ＭＥＭＳセンサでは、炭素濃度が５ａｔ％以下とされたＳｃＡｌ（スカンジウムアルミニウム）で構成されるターゲット材を用いることにより、圧電膜における炭素濃度が２．５ａｔ％以下となるようにしている。
特開２０１４－２３６０５１号公報
　ところで、上記のようなＭＥＭＳセンサについて本発明者らがさらに検討を行ったところ、圧電膜の酸素濃度が高い場合にも圧電膜の圧電特性が低下することが確認された。
　本開示は、圧電特性が低下することを抑制できるＭＥＭＳセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
　本開示の１つの観点によれば、ＭＥＭＳセンサは、ダイヤフラム部が形成された基板と、ダイヤフラム部上に配置された圧電膜と、を備え、圧電膜は、ＳｃＡｌＮ窒化物で構成され、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされている。
　これによれば、圧電膜２０は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされ、酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされている。このため、圧電歪定数が低下することを抑制でき、圧電特性が低下することを抑制できる。
　また、本開示の別の観点によれば、上記ＭＥＭＳセンサの製造方法では、チャンバ内に基板およびターゲット材を配置することと、スパッタリングによって圧電膜を成膜することと、を行い、配置することの前に、基板を加熱処理することを行う。
　これによれば、圧電膜を成膜する際、チャンバ内の水蒸気圧が高くなることを抑制でき、圧電膜の酸素濃度が高くなることを抑制できる。このため、圧電特性が低下することを抑制したＭＥＭＳセンサを製造できる。
　なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
第１実施形態における超音波センサの断面図である。 圧電膜の炭素濃度と圧電歪定数との関係を示す図である。 圧電膜の酸素濃度と圧電歪定数との関係を示す図である。 圧電膜の炭素濃度、酸素濃度、および圧電歪定数の関係を示す図である。 圧電膜を成膜する際の状態を示す模式図である。 圧電膜の酸素濃度、ターゲット材中の酸素濃度、チャンバ内の水蒸気圧、圧電歪定数の関係に関する実験結果を示す図である。 図６中のチャンバ内の水蒸気圧、圧電膜の酸素濃度、ターゲット材中の酸素濃度の関係を示した図である。 図６中のターゲット材中の酸素濃度、圧電歪定数、チャンバ内の水蒸気圧の関係を示した図である。 基板を加熱処理せずにチャンバ内に配置してスパッタリングを行った際のチャンバ内の分圧を示す図である。 基板を加熱処理した後にチャンバ内に配置してスパッタリングを行った際のチャンバ内の分圧を示す図である。
　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
　（第１実施形態）
　第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、ＭＥＭＳセンサとしての超音波センサを例に挙げて説明する。また、本実施形態の超音波センサは、例えば、車両のバンパー周辺に搭載され、車両の周囲に位置する物体を検出する物体検出装置を構成するのに適用されると好適である。
　本実施形態の超音波センサは、図１に示されるように、シリコン等の基板１０にダイヤフラム部１１が形成され、ダイヤフラム部１１上に圧電膜２０が形成されることで構成されている。
　なお、ダイヤフラム部１１は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、平面形状が円形状とされている。圧電膜２０は、ＳｃＡｌＮで構成され、ダイヤフラム部１１の平面形状よりも小さくされている。なお、圧電膜２０の具体的な構成については、後述する。
　また、基板１０上には、図示しない配線パターン等を介して圧電膜２０等と電気的に接続されるパッド部３０が形成されている。なお、図１では、基板１０と圧電膜２０との関係を簡略化して示してあるが、実際には、基板１０上には、絶縁膜等も適宜形成されている。
　以上が本実施形態における超音波センサの基本的な構成である。次に、本実施形態における圧電膜２０の構成について具体的に説明する。
　圧電膜２０は、上記のように、ＳｃＡｌＮを用いて構成される。この場合、圧電膜２０は、ＳｃｘＡｌ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）とすると、Ｓｃの濃度であるｘを大きくする（すなわち、Ｓｃを高濃度化する）ほど圧電歪定数を向上させて感度の向上を図ることができる。例えば、非特許文献１等には、ＳｃｘＡｌ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）は、０．３≦ｘとされることにより、圧電歪定数ｄ３３が急峻に増加することが報告されている。このため、圧電膜２０は、ＳｃｘＡｌ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）とすると、０．３≦ｘとされることが好ましい（非特許文献１：Keiichi Umeda; H.Kawai; A.Honda; M.Akiyama; T.Kato; T. Fukura 「Piezoelectric properties of ScAlN thin films for piezo-MEMS devices」 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems 2013年3月7日）。
　そして、本発明者らは、このような圧電膜２０において、圧電膜２０の炭素濃度と圧電歪定数ｄ３３との関係について鋭意検討を行い、図２に示される結果を得た。また、本発明者らは、圧電膜２０の酸素濃度と圧電歪定数ｄ３３との関係について鋭意検討を行い、図３に示される結果を得た。なお、図２および図３は、圧電膜２０を構成するＳｃｘＡｌ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）において、０．３≦ｘとした場合の結果を示している。
　具体的には、図２に示されるように、圧電歪定数ｄ３３は、炭素濃度が０．７ａｔ％より大きくなると緩やかに低下し、２．５ａｔ％より大きくなると急峻に低下することが確認される。また、図３に示されるように、圧電歪定数ｄ３３は、酸素濃度が０．１ａｔ％より大きくなると緩やかに低下し、０．３５ａｔ％より大きくなると急峻に低下することが確認される。
　このため、本実施形態では、圧電膜２０は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされ、さらに、酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされている。この場合、圧電膜２０は、炭素濃度が０．７ａｔ％以下とされ、酸素濃度が０．１ａｔ％以下とされることがさらに好ましい。なお、ここでの炭素濃度としてのａｔ％は、圧電膜２０中のＳｃ原子数、Ａｌ原子数、Ｎ原子数の総量１００ａｔ％に対する炭素原子の数のことである。同様に、酸素濃度としてのａｔ％は、圧電膜２０のＳｃ原子数、Ａｌ原子数、Ｎ原子数の総量１００ａｔ％に対する炭素原子の数のことである。
　また、本発明者らは、上記圧電膜２０について、圧電膜２０の炭素濃度、圧電膜２０の酸素濃度、および圧電歪定数ｄ３３の相互関係について鋭意検討を行い、図４に示される結果を得た。図４中の各数値は、圧電歪定数ｄ３３［ｐＣ／Ｎ］を示している。そして、図４では、圧電歪定数ｄ３３が１９［ｐＣ／Ｎ］以上である場合を二重丸で示し、圧電歪定数ｄ３３が１７［ｐＣ／Ｎ］以上であって１９［ｐＣ／Ｎ］未満である場合を丸で示している。また、図４は、圧電膜２０を構成するＳｃｘＡｌ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）において、０．３≦ｘとした場合の結果を示している。
　なお、圧電歪定数ｄ３３の１７［ｐＣ／Ｎ］は、図２および図３より圧電歪定数ｄ３３が急峻に低下し始める値であり、圧電歪定数ｄ３３の１９［ｐＣ／Ｎ］は、図２および図３より圧電歪定数ｄ３３が緩やかに低下し始める値である。そして、図４中の領域Ａは、炭素濃度が２．５ａｔ％以下であると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下である場合の領域を示している。また、図４中の領域Ｂは、炭素濃度が０．７ａｔ％以下であると共に酸素濃度が０．１ａｔ％以下である場合の領域を示している。
　図４に示されるように、圧電歪定数ｄ３３は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．１ａｔ％以下である領域Ｃの場合にも１７［ｐＣ／Ｎ］以上となる。また、圧電歪定数ｄ３３は、炭素濃度が１．０ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．２ａｔ％以下である領域Ｄの場合にも１７［ｐＣ／Ｎ］以上となる。さらに、圧電歪定数ｄ３３は、炭素濃度が０．３ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下である領域Ｅの場合にも１７［ｐＣ／Ｎ］以上となる。以上より、本実施形態では、炭素濃度および酸素濃度が上記の範囲とされることが好ましく、炭素濃度および酸素濃度が上記の範囲とされることで圧電歪定数ｄ３３が低下することを十分に抑制できる。
　次に、上記超音波センサにおける圧電膜２０の製造方法について説明する。
　本実施形態では、圧電膜２０を成膜する際には、図５に示されるように、チャンバ４０内に、基板１０とターゲット材５０とを対向して配置すると共に基板１０およびターゲット材５０を高周波電源６０に接続する。なお、ターゲット材５０は、ＳｃＡｌ合金であり、ＳｃとＡｌとの元素組成比が０．４５：０．５５程度とされたものが用いられる。このようなターゲット材５０は、例えば、溶融、周辺の酸素濃度を薄くした状態での低酸素焼結、または周辺の酸素濃度が大気と同様とされている通常焼結によって構成される。
　そして、圧電膜２０を成膜する際には、ターゲット材５０から基板１０に原子を付着させて圧電膜２０を成膜するスパッタリングを行う。スパッタリングを行う際には、例えば、スパッタリング圧力を０．１６Ｐａ、窒素濃度を４３体積％、ターゲット電力密度を１０Ｗ／ｃｍ２、基板温度を３００℃、スパッタリング時間を２００分等として行う。また、スパッタリングを行う際には、チャンバ４０内を５×１０－５Ｐａ以下に減圧し、チャンバ４０内に９９．９９９体積％のアルゴンガス、および９９．９９９体積％の窒素ガスを導入して行う。
　そして、スパッタリングを行う際には、高周波電源６０に高周波電圧を印加することにより、ターゲット材５０の表面に高周波プラズマが形成されるようにし、自己バイアス効果によってプラズマ中の正イオンをターゲット材５０に衝突させる。なお、プラズマ中の正イオンは、窒素イオンおよびアルゴンイオンである。そして、正イオンをターゲット材５０に衝突させることにより、ターゲット材５０からＳｃ原子７１やＡｌ原子７２を弾き飛ばして基板１０上にスパッタリングする。本実施形態では、このようにして、基板１０上に、ＳｃＡｌＮで構成される圧電膜２０を成膜する。
　ここで、ターゲット材５０中のＳｃ原子数とＡｌ原子数との総量１００ａｔ％に対する炭素原子の数をターゲット材５０の炭素濃度とする。この場合、ターゲット材５０として炭素濃度が５ａｔ％以下であるものを用いることにより、スパッタリングで圧電膜２０を成膜した際、圧電膜の炭素濃度を２．５ａｔ％以下とすることができる。そして、圧電膜２０は、ターゲット材５０の炭素濃度が低くなるほど、当該圧電膜２０の炭素濃度が低くなる。
　また、本発明者らは、スパッタリングと圧電膜２０の酸素濃度との関係について鋭意検討を行った。具体的には、圧電膜２０の酸素濃度は、チャンバ４０内の酸素に関する圧力、ターゲット材５０の酸素濃度、基板１０に付着している水分に依存する。このため、本発明者らは、チャンバ４０内の酸素に関する圧力、ターゲット材５０の酸素濃度、基板１０に付着している水分の影響について調査し、図６、図７、図８、図９Ａ、および図９Ｂに示される結果を得た。
　なお、チャンバ４０内の酸素に関する成分としては酸素と水蒸気とが存在するが、チャンバ４０内では、酸素圧に対して水蒸気圧が１桁以上大きくなる。つまり、チャンバ４０内の酸素に関する成分としては、チャンバ４０内の水蒸気圧の方が支配的となる。このため、図６ではチャンバ内の水蒸気圧（以下では、単に水蒸気圧ともいう）と圧電膜の酸素濃度との関係についての結果を示している。また、図８中の各プロットの値は、図６中のチャンバ内の水蒸気圧を示している。さらに、図６～図８は、後述する図９Ｂのように基板１０を加熱処理した際の結果を示す図であり、より詳しくは、スパッタリングを行う際の温度よりも高い温度で基板１０を加熱処理した際の結果を示す図である。また、図６中のターゲット材の酸素濃度としてのａｔ％は、ターゲット材５０中のＳｃ原子数とＡｌ原子数との総量１００ａｔ％に対する酸素原子の数のことである。そして、図６中のターゲット材の酸素濃度における各数値横の溶融、低酸素焼結、通常焼結は、ターゲット材５０の製造方法を示している。
　図６および図７に示されるように、圧電膜２０の酸素濃度は、チャンバ４０内の水蒸気圧が大きくなるほど高くなることが確認される。また、図６～図８に示されるように、圧電歪定数ｄ３３は、ターゲット材５０中の酸素濃度が高くなるほど圧電膜２０の酸素濃度が高くなるため、低くなることが確認される。このため、酸素濃度が低い圧電膜２０を形成するためには、チャンバ４０内の水蒸気圧を低くするか、ターゲット材５０中の酸素濃度を低くすればよい。
　また、図９Ａに示されるように、基板１０を加熱処理せずに基板１０に水分が付着している状態でスパッタリングを行った場合には、基板１０に付着している水分が蒸発するため、チャンバ４０内の水蒸気圧が高くなることが確認される。一方、図９Ｂに示されるように、基板１０を加熱処理して基板１０から水分を除去した後にスパッタリングを行った場合には、チャンバ内の水蒸気圧がほぼ一定となることが確認される。
　すなわち、圧電膜２０をスパッタリングで成膜する際には、基板１０に水分が付着していない状態とすることにより、チャンバ４０内の水蒸気圧が高くなることを抑制でき、酸素濃度が低い圧電膜２０を形成することができる。この場合、基板１０の加熱処理は、スパッタリングを行う際の温度よりも高い温度で加熱処理を行うことにより、スパッタリングを行う際に基板１０から水蒸気が発生することを十分に抑制できるために好ましい。なお、図９Ｂは、スパッタリングを行う際の温度よりも高い温度で加熱処理を行った基板１０を用いた結果を示している。
　以上より、例えば、圧電膜２０の酸素濃度を０．７ａｔ％以下にする場合には、ターゲット材５０の酸素濃度を０．０３８７ａｔ％以下とし、チャンバ４０内の水蒸気圧を１４．８μＰａ以下とし、加熱処理した基板１０を用いて圧電膜２０を成膜すればよい。この場合、ターゲット材５０の酸素濃度をさらに低くすることにより、圧電膜２０の酸素濃度をさらに低くできる。このため、ターゲット材５０の酸素濃度をさらに低くしたい場合には、チャンバ４０内の水蒸気圧が１４．８μＰａ以上であっても、圧電膜２０の酸素濃度を０．７ａｔ％以下にすることができる場合もある。すなわち、チャンバ４０内の水蒸気圧およびターゲット材５０の酸素濃度は、圧電膜２０の酸素濃度が所望の値となるのであれば、適宜変更可能である。但し、上記のように基板１０を加熱処理することにより、チャンバ４０内の水蒸気圧を低くでき、圧電膜２０の酸素濃度が高くなることを抑制できる。
　以上説明した本実施形態では、圧電膜２０は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされ、さらに、酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされている。このため、圧電歪定数ｄ３３が低下することを抑制できる。この場合、圧電膜２０は、炭素濃度が０．７ａｔ％以下とされ、酸素濃度が０．１ａｔ％以下とされることにより、さらに圧電歪定数ｄ３３が低下することを抑制できる。
　また、圧電膜２０は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．１ａｔ％以下とされることにより、圧電歪定数ｄ３３が低下することを十分に抑制できる。圧電膜２０は、炭素濃度が１．０ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．２ａｔ％以下とされることにより、圧電歪定数ｄ３３が低下することを十分に抑制できる。圧電膜２０は、炭素濃度が０．３ａｔ％以下とされると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされることにより、圧電歪定数ｄ３３が低下することを十分に抑制できる。
　そして、圧電膜２０をスパッタリングで成膜する際には、加熱処理した基板１０を用いている。このため、圧電膜２０を成膜する際、チャンバ４０内の水蒸気圧が高くなることを抑制でき、圧電膜２０の酸素濃度が高くなることを抑制できる。この場合、スパッタリングを行う際の温度よりも高い温度で基板１０を加熱処理することにより、スパッタリングを行う際に基板１０から水蒸気が発生し難くなるため、チャンバ４０内の水蒸気圧が高くなることをさらに抑制できる。
　（他の実施形態）
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
　例えば、上記第１実施形態では、スパッタリングを行う際の温度よりも低い温度で基板１０を加熱処理するようにしてもよい。このように加熱処理を行っても、加熱処理を行うことによって基板１０に付着している水分を除去できるため、スパッタリングを行う際にチャンバ４０内の水蒸気圧が高くなることを抑制できる。つまり、圧電膜２０の酸素濃度が高くなることを抑制できる。
　さらに、上記第１実施形態のＭＥＭＳセンサは、超音波センサ以外のセンサに適用することも可能であり、例えば、ダイヤフラム部１１上に圧電膜２０を備えて構成される圧力センサに適用することも可能である。

Claims (7)

  1. 　圧電膜（２０）を有するＭＥＭＳセンサであって、
    　ダイヤフラム部（１１）が形成された基板（１０）と、
    　前記ダイヤフラム部上に配置された前記圧電膜と、を備え、
    　前記圧電膜は、スカンジウムアルミニウム窒化物で構成され、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされているＭＥＭＳセンサ。
  2. 　前記圧電膜は、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．１ａｔ％以下とされている請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  3. 　前記圧電膜は、炭素濃度が１．０ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．２ａｔ％以下とされている請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  4. 　前記圧電膜は、炭素濃度が０．３ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされている請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  5. 　前記圧電膜は、炭素濃度が０．７ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．１ａｔ％以下とされている請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  6. 　ダイヤフラム部（１１）が形成された基板（１０）と、
    　前記ダイヤフラム部上に配置された圧電膜（２０）と、を備え、
    　前記圧電膜は、スカンジウムアルミニウム窒化物で構成され、炭素濃度が２．５ａｔ％以下とされていると共に酸素濃度が０．３５ａｔ％以下とされているＭＥＭＳセンサの製造方法であって、
    　チャンバ（４０）内に前記基板およびターゲット材（５０）を配置することと、
    　スパッタリングによって前記圧電膜を成膜することと、を行い、
    　前記配置することの前に、前記基板を加熱処理することを行うＭＥＭＳセンサの製造方法。
  7. 　前記加熱処理することでは、前記スパッタリングを行う際の温度よりも高い温度で前記基板を加熱処理する請求項６に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
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