(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Pt下部電極層が形成されたウェハを酸素雰囲気で加熱して前記Pt下部電極層を（１１１）面により多く配向させる酸素雰囲気下加熱処理工程と、
前記酸素雰囲気下加熱処理工程後にアーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して前記Pt下部電極層上にPbZrxTi1-xO3よりなるPZT圧電体層を形成する圧電体層形成工程と
を具備する圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記圧電体層形成工程におけるPbZrxTi1-xO3の組成比Pb/(Zr+Ti)を1.2以下とした請求項１に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
さらに、前記酸素雰囲気下加熱処理工程と前記圧電体層形成工程との間に、前記ウェハを真空雰囲気で加熱する真空雰囲気下加熱処理工程を具備する請求項１に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を含む圧電アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Pb、Zr、Tiの各元素を含む酸化化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）は図５に示す立方晶系ペロブスカイト型の結晶構造を有する。尚、図５においては、斜線球は単純立法配列のPb、黒球はZrもしくはTi、白球はOを示す。図６に示すごとく、PZTは<１００>（あるいは<００１>）方向あるいは<１１１>方向に歪んだ場合に分極を発生し、これにより、優れた圧電性を発揮する（参照：特許文献１の図５、図１０）。これを利用したPZT圧電体層は、アクチュエータとして用いたMEMS素子、センサとして用いたMEMS素子、発電素子、ジャイロ素子等に用いられる。
【０００３】
図７は従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。図７の圧電アクチュエータはキャパシタ構造をなしており、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３、Pt下部電極層４、PZT圧電体層５及びPt上部電極層６を積層して形成されている。尚、単結晶シリコン基板１はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に置換し得る。また、下部電極層４のPtはPZT圧電体層５の成膜温度約500℃以上に耐えられる材料である。この下部電極層４は、Ir、SrRuO3等を用いてもよい。さらに、Ti密着層３は酸化シリコン層２とPt下部電極層４との密着性が悪いのでこれらの間に設けたものである。この密着層３はTiO2、MgO、ZrO2、IrO2等の導電性酸化物を用いてもよい。
【０００４】
図７においては、PZT圧電体層５の矢印方向が結晶の<１００>（あるいは<００１>）方向あるいは<１１１>方向に向いていると、Pt下部電極層４とPt上部電極層６との間に直流電圧を印加したときに、歪みが効率よく発生する。
【０００５】
図７の圧電アクチュエータの製造方法を図８のフローチャートを参照して説明する。
【０００６】
始めに、ステップ８０１を参照すると、単結晶シリコン基板１を熱酸化して酸化シリコン層２を形成する。尚、熱酸化処理の代りに化学的気相成長（CVD）法を用いてもよい。
【０００７】
次に、ステップ８０２を参照すると、酸化シリコン層２上にスパッタリング法によってTi密着層３を形成する。引き続いて、Ti密着層３上にスパッタリング法によってPt下部電極層４を形成する。
【０００８】
次に、ステップ８０３を参照すると、図８のステップ８０４のアーク放電イオンプレーティング（ADRIP）本処理の前処理としてADRIP装置に投入して真空雰囲気において約500℃まで単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３及びPt下部電極層４よりなるウェハを加熱する。このADRIP前処理については後述する。
【０００９】
次に、ステップ８０４を参照すると、引き続いてADRIP装置においてPt下部電極層４上にADRIP法によってPZT圧電体層５を形成する。このPZT圧電体層５の形成のADRIP処理については、後述する。
【００１０】
最後に、ステップ８０５を参照すると、PZT圧電体層５上にスパッタリング法によってPt上部電極層６を形成する。
【００１１】
尚、ステップ８０２、８０５におけるスパッタリング法の代りに、電子ビーム（EB）蒸着法、ADRIP法を用いてもよい。
【００１２】
図８のステップ８０４におけるADRIP法は、スパッタリング法に比較してPZT圧電体層の堆積速度が大きいという利点を有し、また、有機金属化学的気相成長（MOCVD）法に比較して基板温度が低く、製造コストが低く、有毒な有機金属ガスを用いないので、対環境性がよく、また、原料の利用効率がよいという利点を有する。このADRIP法に用いられるADRIP装置を図９を参照して説明する（参照：特許文献１の図１）。
【００１３】
図９において、真空チャンバ９０１内の下方側に、Pb、Zr、Tiを独立に蒸発させるためのPb蒸発源９０２−１、Zr蒸発源９０２−２、Ti蒸発源９０２−３が設けられる。Pb蒸発源９０２−１、Zr蒸発源９０２−２、Ti蒸発源９０２−３上には、蒸気量センサ９０２−１Ｓ、９０２−２Ｓ、９０２−３Ｓが設けられている。真空チャンバ９０１内の上方側に、ウェハ９０３ａを載置するためのヒータ付ウェハ回転ホルダ９０３が設けられる。
【００１４】
また、真空チャンバ９０１の上流側には、アーク放電を維持するために不活性ガスたとえばArガスを導入する圧力勾配型プラズマガン９０４及びPZT圧電体層５の酸素原料となる酸素（O2）ガスを導入するO2ガス導入口９０５が設けられる。他方、真空チャンバ９０１の下流側には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口９０６が設けられる。
【００１５】
図９のADRIP装置において、ADRIP前処理ステップ８０３を行う場合、Pb蒸発源９０２−１、Zr蒸発源９０２−２、Ti蒸発源９０２−３を停止すると共に、圧力勾配型プラズマガン９０４のArガス及びO2ガス導入口９０５のO2ガスを停止する。他方、排気口９０６を介して真空ポンプで真空チャンバ９０１を真空雰囲気にした上で、ヒータ付ウェハ回転ホルダ９０３によってウェハ９０３ａを約500℃まで加熱する。
【００１６】
図９のADRIP装置においてADRIP本処理ステップ８０４を行う場合、圧力勾配型プラズマガン９０４によって導入されたArガス及びO2ガス導入口によって導入されたO2ガスの高密度、低電子温度のアーク放電プラズマ９０７が発生し、真空チャンバ９０１内に多量の酸素ラジカルを主とする活性原子、分子が生成される。他方、Pb蒸発源９０２−１、Zr蒸発源９０２−２及びTi蒸発源９０２−３より発生したPb蒸気、Zr蒸気及びTi蒸気が上述の活性原子、分子と反応し、所定温度たとえば約500℃に加熱されたウェハ９０３ａ上に付着し、この結果、組成比xのPbZrxTi1-xO3が形成されることになる。尚、Pb蒸気、Zr蒸気、Ti蒸気は蒸気量センサ９０２−１Ｓ、９０２−２Ｓ、９０２−３Ｓによって検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−８１６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上述の従来の製造方法において製造された圧電アクチュエータにおいては、Pt下部電極層４とPZT圧電体層５との間の印加される印加電圧は大きい程、圧電アクチュエータは大きく動作するが、大きな印加電圧はPZT圧電体層５の絶縁破壊を招く。この絶縁破壊を招く印加電圧は絶縁破壊電圧と呼ばれるが、上述の従来の製造方法によって製造された圧電アクチュエータにおいては、PZTの膜厚1μm当りの絶縁破壊電圧が20V以下と小さく（以下、絶縁破壊電圧とは膜厚1μm当りの電圧を意味する）、この結果、印加電圧を大きくできず、製造された圧電アクチュエータの信頼性が低いという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述の課題を解決するために、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、Pt下部電極層が形成されたウェハを酸素雰囲気で加熱してPt下部電極層を（１１１）面により多く配向させる酸素雰囲気下加熱処理工程と、酸素雰囲気下加熱処理工程後にアーク放電イオンプレーティング法によってPb蒸発量、Zr蒸発量及びTi蒸発量を制御して下部電極層上に組成比xのPbZrxTi1-xO3よりなるPZT圧電体層を形成する圧電体層形成工程とを具備するものである。これにより、PZT圧電体層の絶縁破壊電圧が大きくなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、絶縁破壊電圧が大きくなるので、印加電圧を大きくでき、製造された圧電アクチュエータの信頼性を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法の第２の実施の形態を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１、図２の製造方法による圧電アクチュエータのPZT圧電体層の絶縁破壊電圧特性を示すグラフである。
【図４】図３のPb蒸発量／Ti蒸発量比とPbZrxTi1-xO3の組成比Pb/(Zr+Ti)との関係を示すグラフである。
【図５】PZTの結晶構造を示す図である。
【図６】PZTのＸ線解析パターンを示すグラフである。
【図７】従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図８】図７の圧電アクチュエータの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】図８のADRIP前処理ステップ８０３及びADRIP本処理ステップ８０４に用いられるADRIP装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態を説明するためのフローチャートである。図１においては、図８の真空雰囲気によるADRIP前処理ステップ８０３及びADRIP本処理ステップ８０４の代りに、酸素雰囲気によるADRIP前処理ステップ１０１及びADRIP本処理ステップ１０２を設けてある。
【００２３】
図８に示す従来の圧電アクチュエータの製造方法と同様に、ステップ８０１、８０２を参照すると、単結晶シリコン基板１を熱酸化して酸化シリコン層２を形成し、酸化シリコン層２上にスパッタリング法によってTi密着層３を形成し、引き続いて、Ti密着層３上にスパッタリング法によってPt下部電極層４を形成する。
【００２４】
次に、ステップ１０１を参照すると、図１のステップ１０１のADRIP本処理の前処理として酸素雰囲気において約500℃までウェハを加熱する。すなわち、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３及びPt下部電極層４よりなるウェハ９０３ａを図９のADRIP装置に投入し、約0.1Pa以上の酸素雰囲気にすると共に、ヒータ付ウェハ回転ホルダ９０３によって約500℃まで加熱する。
【００２５】
次に、ステップ１０２を参照すると、引き続き、図９に示すADRIP装置において、Pb蒸発源９０２−１のPb蒸発量、Zr蒸発源９０２−２のZr蒸発量及びTi蒸発源９０２−３のTi蒸発量を制御してPbZrxTi1-xの組成比が1：x：1-xとなるようにする。この場合、
Pb蒸発量/Ti蒸発量≦1.5
となるように制御する。
【００２６】
最後に、図８に示す従来の製造方法と同様、ステップ８０５を参照すると、PZT圧電体層５上にスパッタリング法によってPt上部電極層６を形成する。
【００２７】
図２は本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法の第２の実施の形態を説明するためのフローチャートである。図２においては、ADRIP装置内で行われる図１の酸素雰囲気によるADRIP前処理ステップ１０１の代りに、電気炉内で行われる酸素雰囲気によるADRIP前処理ステップ２０１及びADRIP装置内で行われる真空雰囲気によるADRIP前処理ステップ２０２を設けてある。
【００２８】
すなわち、ステップ２０１を参照すると、図２のステップ２０２のADRIP本処理の前処理として、単結晶シリコン基板１、酸化シリコン層２、Ti密着層３及びPt下部電極層４よりなるウェハ９０３ａを電気炉に投入し、約0.1Pa以上の酸素雰囲気にすると共に、約500℃まで加熱して15分間以上保持する。その後、電気炉から取り出す。これにより、酸素アニールを行う。
【００２９】
次に、ステップ２０２を参照すると、図８のステップ８０３と同様に、ウェハ９０３ａを図９に示すADRIP装置に投入する。次いで、ADRIP装置を真空雰囲気にすると共に、ヒータ付ウェハ回転ホルダ９０３によって約500℃まで加熱する。
【００３０】
以後、図１の場合と同様に、ステップ１０２においてADRIP装置においてPZT圧電体層５を成膜し、ステップ８０５において、Pt上部電極層６を形成する。
【００３１】
図３は図１、図２の製造方法による圧電アクチュエータのPZT圧電体層の絶縁破壊電圧特性を示すグラフである。尚、絶縁破壊電圧は図７の下部電極層４とPt上部電極層６との間に直流電圧VDCを印加し、これらの電極間に流れる電極間電流Iを測定することにより評価する。たとえば、ある直流電圧VDCを１分間印加し、1Vステップで直流電圧VDCを上昇させ、上述の電極間電流Iが50μAに到達したときに絶縁破壊が生じたとみなし、VBD=VDCとする。
【００３２】
図３に示すように、本発明において、酸素雰囲気によるADRIP前処理により絶縁破壊電圧は高くなった。下部電極層４のPtは酸素雰囲気中の加熱で（１１１）面により多く配向するようになる。この上にPZT圧電体層５が積まれるので、下部電極層４の結晶配向が影響することで絶縁破壊電圧が改善されたものと考えられる。また、酸素雰囲気によるADRIP前処理を行いかつADRIP本処理において組成比Pb/(Zr+Ti)≦1.2とした場合には、絶縁破壊電圧VBDは22V/μm以上と高かったのに対し、従来のごとく、真空雰囲気によるADRIP前処理かつADRIP本処理においてPb蒸発量/Ti蒸発量をたとえば約1とした場合には、絶縁破壊電圧VBDは15V/μm以下と低かった。このように、本発明によれば、絶縁破壊電圧VBDは高くなる。
【００３３】
図４は図３のPb蒸発量／Ti蒸発量比とPbZrxTi1-xO3の組成比Pb/(Zr+Ti)との関係を示すグラフである。図４に示すように、Pb蒸発量／Ti蒸発量比が1.5以下の場合には、PbZrxTi1-xO3の組成比Pb/(Zr+Ti)は1.2以下であることが認められる。従って、上述の第１、第２の実施の形態における圧電体層形成工程によって形成されるPZTの組成比Pb/(Zr+Ti)は1.2以下となる。
【符号の説明】
【００３４】
１：単結晶シリコン基板 
２：酸化シリコン層 
３：Ti密着層 
４：Pt下部電極層
５：PZT圧電体層
６：Pt上部電極層 
９０１：真空チャンバ
９０２−１：Pb蒸発源
９０２−２：Zr蒸発源
９０２−３：Ti蒸発源
９０２−１Ｓ、９０２−２Ｓ、９０２−３Ｓ：蒸気量センサ
９０３：ヒータ付ウェハ回転ホールダ 
９０３ａ：ウェハ 
９０４：圧力勾配型プラズマガン 
９０５：O2ガス導入口 
９０６：排気口 
【図１】
0005727240.tif 000002
【図２】
0005727240.tif 000003
【図３】
0005727240.tif 000004
【図４】
0005727240.tif 000005
【図５】
0005727240.tif 000006
【図６】
0005727240.tif 000007
【図７】
0005727240.tif 000008
【図８】
0005727240.tif 000009
【図９】
0005727240.tif 000010