(57)【要約】  圧電デバイスを製造する方法が提供される。方法は、基板を準備することと、基板の第１の表面上にナノ結晶ダイヤモンド層を形成することとを含むことができる。方法は、ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に圧電層を堆積することも含むことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電デバイスを製造する方法であって、
基板を準備することと、
前記基板の第１の表面上にナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を形成することと、
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に圧電層を堆積することと
を含む方法。
【請求項２】
前記基板がシリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧電層がペロブスカイト構造を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を形成することが、化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記化学気相堆積技法が、熱フィラメント化学気相堆積（ＨＦＣＶＤ）、またはマイクロ波プラズマ化学気相堆積（ＭＰＣＶＤ）技法を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノ結晶ダイヤモンド層を形成することが、
前記基板を洗浄し、前記基板をダイヤモンドのナノ粒子でシード化することと、
前記シード化された基板をＣＶＤリアクタ内に置くことと、
前記基板を熱フィラメントの配列により堆積温度に加熱することと、
前記ＣＶＤリアクタ内に、炭化水素および水素のガス状混合物を通すことにより、前記加熱された基板の前記第１の表面上に、前記ＮＣＤ層を化学的に気相堆積することと
を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記圧電層を堆積することが、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記圧電層を堆積することが、ＰＬＤチャンバ内に置かれた圧電ターゲットをレーザ源に曝すことを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記堆積された圧電層をアニールすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＰＬＤチャンバ内の堆積温度が、約５２５℃から約６００℃である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記堆積温度が、約５５０℃である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＰＬＤチャンバ内の堆積圧力が、約０．４ｍｂａｒから約０．６ｍｂａｒである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
圧電デバイスを製造する方法であって、
ダイヤモンド基板を準備することと、
ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層が結晶性ペロブスカイト相の層であるように、前記ダイヤモンド基板の第１の表面上に前記ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層を堆積することと
を含む方法。
【請求項１６】
前記ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層を堆積することが、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ダイヤモンド基板が、化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用してベース基板上に形成されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記化学気相堆積技法が、熱フィラメント化学気相堆積（ＨＦＣＶＤ）、またはマイクロ波プラズマ化学気相堆積（ＭＰＣＶＤ）技法を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ベース基板がシリコンを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
基板と、
前記基板の第１の表面上に配設されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層と、
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に堆積されたペロブスカイト圧電層と
を備える圧電デバイス。
【請求項２１】
前記基板がシリコンを含む、請求項２０に記載の圧電デバイス。
【請求項２２】
前記基板の厚さが、約１００ミクロンから約１０００ミクロンである、請求項２１に記載の圧電デバイス。
【請求項２３】
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の厚さが、約１ミクロンから約１０ミクロンである、請求項２０に記載の圧電デバイス。
【請求項２４】
前記ペロブスカイト圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層、またはジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項２０に記載の圧電デバイス。
【請求項２５】
前記ペロブスカイト圧電層の厚さが、約１００ナノメートルから約８００ナノメートルである、請求項２４に記載の圧電デバイス。
【請求項２６】
前記デバイスが、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである、請求項２０に記載の圧電デバイス。
【請求項２７】
前記ペロブスカイト圧電層が、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用して、前記ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層上に堆積される、請求項２０に記載の圧電デバイス。
【請求項２８】
圧電デバイスを表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスとして使用する方法であって、
前記圧電デバイスが、
基板、
前記基板の第１の表面上に配設されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層、および
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に配設されたペロブスカイト圧電層
を備える、圧電デバイスを提供することと、
前記圧電デバイスの前記ペロブスカイト圧電層上に、インターデジタル変換器（ＩＤＴ）層を堆積することと
を含む方法。
【請求項２９】
前記基板がシリコンを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ペロブスカイト圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層、またはジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記インターデジタル変換器層が、プラチナまたはタンタルを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記表面弾性波デバイスが電気通信デバイスに組み込まれる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記表面弾性波デバイスが表面弾性波フィルタである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記表面弾性波デバイスが検知デバイスに組み込まれる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記表面弾性波デバイスが音響航法および測距（ソナー）デバイスに組み込まれる、請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
圧電デバイスは、さまざまな応用分野で知られており、使用されている。典型的には、そのようなデバイスは、シリコンベースの半導体を一体化した、圧電材料層（たとえば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層）を含み、そのようなハイブリッド構造は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサおよびアクチュエータ、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス、ならびに不揮発性メモリデバイスなどの応用分野で使用される。しかし、シリコンベースのデバイスには、環境温度動作ならびに絶縁体とシリコン基板の間の界面拡散および自然酸化シリコン層の形成といった他の問題などの制限がある。
【０００２】
特定の圧電デバイスは、シリコンベースのデバイスと比較して、比較的高い熱伝導率、大きなバンドギャップ、およびより大きい抵抗率を有する、ダイヤモンド基板を採用する。さらに、ダイヤモンドは、かなり速い音波速度を有し、ダイヤモンド基板と圧電材料層を一体化することによって、高周波数の応用分野で使用することができるＳＡＷデバイスを製造する機会がもたらされる。
【０００３】
残念ながら、ＰＺＴ層などの圧電材料層とダイヤモンド基板の間で熱膨張が一致しないことに起因して、プラチナまたはチタン酸ストロンチウムなどのバッファ層を使用せずに、ダイヤモンド基板上に圧電材料層を堆積するのは、困難である。特に、ダイヤモンド基板上にペロブスカイト相のＰＺＴ層を形成するのは、困難である。典型的には、ダイヤモンド基板に直接堆積されたＰＺＴ層では、パイロクロアＰＺＴの形成が、支配的な相である。しかし、パイロクロアＰＺＴは、圧電特性または強誘電特性を呈さず、このことによって、デバイス製造にはパイロクロアＰＺＴが適していないことになる。
【発明の概要】
【０００４】
前述の概要は、説明するためだけのものであり、いかようにも限定することを意図するものではない。上記の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、図面および以下の詳細な説明を参照すれば、さらなる態様、実施形態、および特徴が、明らかとなろう。
【０００５】
簡潔にいえば、１つの態様により、圧電デバイスを製造する方法が提供される。方法は、基板を準備することと、基板の第１の表面上にナノ結晶ダイヤモンド層を形成することとを含む。方法は、ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に圧電層を堆積することも含む。
【０００６】
別の態様により、圧電デバイスを製造する方法が提供される。方法は、ダイヤモンド基板を準備することと、ジルコン酸チタン酸鉛層が結晶性ペロブスカイト相の層であるように、ダイヤモンド基板の第１の表面上にジルコン酸チタン酸鉛層を堆積することとを含む。
【０００７】
別の態様により、圧電デバイスが提供される。圧電デバイスは、基板を含む。ナノ結晶ダイヤモンド層が基板の第１の表面上に堆積され、ペロブスカイト圧電層がナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に堆積される。
【０００８】
別の態様により、圧電デバイスを表面弾性波デバイスとして使用する方法が提供される。方法は、圧電デバイスを準備することを含む。圧電デバイスは、基板、基板の第１の表面上に堆積されたナノ結晶ダイヤモンド層、およびナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に堆積されたペロブスカイト圧電層を含む。方法は、圧電デバイスのペロブスカイト圧電層上に、インターデジタル変換器層を堆積することも含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧電デバイスを製造する方法の実施形態の、例示的な流れ図である。
【図２】図１の方法を使用して製造された、例示的な圧電デバイスの図である。
【図３】ベースシリコン基板上に形成されたＮＣＤ層上に堆積されたペロブスカイトＰＺＴ層の、例示的なＸ線回折（ＸＲＤ）パターンの図である。
【図４】ベースシリコン基板上に形成されたＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ層の、例示的な電界放射型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図５】ベースシリコン基板上に形成されたＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ層の、例示的なラマンスペクトルの図である。
【図６】ベースシリコン基板上に形成されたＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ層の、例示的な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。
【図７】ベースシリコン基板上に形成されたＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ層の、電流−電圧特性のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部を形成する、添付図面を参照する。図面では、文脈に指示がない限り、同様の符号は、典型的には、同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲で記載される例示的な実施形態は、限定することを意味していない。本明細書に提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、他の変更を行うことができる。本明細書に一般的に記載され、図に示されるような、本開示の態様は、種々多様な異なる構成で配置し、置換し、組み合わせ、分離し、設計することができ、これらのすべては、本明細書で、明示的に企図されることが容易に理解されよう。
【００１１】
例示の実施形態は、一般的に、圧電デバイスおよび圧電デバイスを準備および使用するための方法を対象とする。技法は、電気通信および検知の応用分野など、さまざまな応用分野で有用であり得る圧電デバイスを形成するための、ダイヤモンド基板上へのペロブスカイト圧電層の直接堆積を容易にする。
【００１２】
ここで図１を参照して、圧電デバイスを製造するための方法の実施形態の、例示的な流れ図１００が図示されている。ブロック１１０で、基板が準備される。１つの例示的な実施形態では、基板はシリコンを含む。ナノ結晶ダイヤモンド層（ＮＣＤ層）が、基板の第１の表面上に形成される（ブロック１２０）。この実施形態では、ＮＣＤ層は、熱フィラメント化学気相堆積（ＨＦＣＶＤ）およびマイクロ波プラズマ化学気相堆積（ＭＰＣＶＤ）技法などの化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用して形成される。別の実施形態では、ＮＣＤ層は、ＤＣアークジェットリアクタまたは燃焼リアクタを使用して形成される。特定の実施形態では、ＮＣＤ層は、高圧高温（ＨＰＨＴ）技法を使用して形成されるダイヤモンド層を含む。
【００１３】
１つの例示的な実施形態では、予め堆積されたＮＣＤ層を備える基板が、圧電デバイス用に使用される。そのようなＮＣＤ基板は、ルクセンブルグのＥｌｅｍｅｎｔ  Ｓｉｘ、および米国、カリフォルニアのｓｐ３  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓなどの企業から、市販されている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ＮＣＤ層を形成する前に、基板をエッチングすることができる。エッチングは、酸を用いた処理を含む、さまざまなやり方で行うことができる。洗浄された基板は、次に、ダイヤモンドのナノ粒子でシード化される（seeded）。シード化された基板は、ＣＶＤリアクタ内に置かれ、ＣＶＤリアクタ内の熱フィラメントの配列を使用して堆積温度に加熱される。
【００１５】
ＮＣＤ層は、ＣＶＤリアクタ内に、炭化水素および水素（Ｈ２）のガス状混合物を通すことにより、加熱された基板の第１の表面上に、化学気相堆積される。炭化水素の例としては、メタン、エタン、アセチレン、エタノール、およびメタノールが挙げられる。例示的な実施形態では、ＮＣＤ層を堆積するために、メタンと水素のガス状混合物が使用される。炭化水素の流量は、一般的に任意の流量であってよい。１つの例示的な実施形態では、炭化水素の流量は、約４０ｓｃｃｍ（毎分標準立方センチメートル）から約９０ｓｃｃｍである。水素の流量は、一般的に任意の流量であってよい。１つの例示的な実施形態では、水素の流量は、約１５００ｓｃｃｍから約３０００ｓｃｃｍである。ＣＶＤリアクタ内の圧力は、一般的に任意の圧力であってよい。１つの例示的な実施形態では、圧力は、約５トル（６６６．６１パスカル）から約６０トル（８０００パスカル）である。基板上に堆積されるＮＣＤ層が、単結晶ダイヤモンドと実質的に同様の特性を呈することができるということに留意されたい。
【００１６】
ブロック１３０で、圧電層が、ＮＣＤ層の第１の表面上に堆積される。１つの実施形態では、圧電層は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む。別の実施形態では、圧電層は、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む。この例示的な実施形態では、圧電層は、ペロブスカイト構造を有する。本明細書で使用する際、「ペロブスカイト構造」という用語は、より大きな鉛（Ｐｂ）カチオンおよび酸素アニオンが一緒に、圧電特性を担う非中心対称構造を形成する、菱面体構造または正方構造のことをいう。
【００１７】
この例示的な実施形態では、圧電層は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用して、ＮＣＤ層上に堆積される。圧電層を堆積するために本明細書で使用されるＰＬＤ技法は、ペロブスカイト相の層の堆積を容易にする。オペレーションでは、圧電ターゲットおよび堆積されたＮＣＤ層を備える基板がＰＬＤチャンバ内に置かれて、レーザ源に曝され、圧電層を堆積する。この実施形態では、組成ＰｂＺｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３を有するセラミックターゲットが、従来型の固相反応を使用して調製される。特定の例示的な実施形態では、酸化鉛（ＰｂＯ）がターゲットに加えられ、堆積およびポストアニール処理の期間の鉛および酸素の減少の補償をすることができる。
【００１８】
続いて、酸素などの作動ガスがＰＬＤチャンバ内に導入され、チャンバ内の圧力が既定の堆積圧力に維持される。さらに、ＰＬＤチャンバ内の堆積温度は、約５２５℃から約６００℃である。堆積された圧電層は、約１時間、堆積温度で実質的にアニールされる。堆積された層をアニールすることによって、層の結晶性が高まる。１つの例示的な実施形態では、圧電層のアニール時間は、約３０分から約２時間である。
【００１９】
図２は、例示的な圧電デバイス２００を図示する。圧電デバイス２００は、基板２１０、および基板２１０の第１の表面２３０上に堆積されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層２２０を含む。この例示的な実施形態では、基板２１０はシリコンを含む。ＮＣＤ層２２０は、当技術分野でよく知られている化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用して、基板２１０上に堆積される。基板２１０は、一般的に任意の厚さ２４０を有することができる。図示された実施形態では、基板２１０の厚さ２４０は、約１００ミクロンから約１０００ミクロンである。ＮＣＤ層２２０は、一般的に任意の厚さ２５０を有することができる。たとえば、ＮＣＤ層２２０の厚さ２５０は、約０．５ミクロンから約１０ミクロンである。
【００２０】
圧電デバイス２００は、ＮＣＤ層２２０の第１の表面２７０上に直接堆積されたペロブスカイト圧電層２６０を含む。ペロブスカイト圧電層２６０は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用して、ＮＣＤ層２２０上に堆積することができる。１つの例示的な実施形態では、ペロブスカイト圧電層２６０は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む。代替実施形態では、ペロブスカイト圧電層２６０は、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む。圧電層２６０としてＰＬＺＴを使用することによって、圧電デバイス２００の誘電特性および強誘電特性の調整が容易になることに留意されたい。ペロブスカイト圧電層２６０は、一般的に任意の厚さ２８０を有することができる。たとえば、ペロブスカイト圧電層２６０の厚さ２８０は、約１００ナノメートルから約８００ナノメートルである。
【００２１】
上記の圧電デバイス２００は、さまざまな応用分野で使用することができる。たとえば、圧電デバイス２００は、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスとして使用することができる。１つの例示的な実施形態では、インターデジタル変換器（ＩＤＴ）層（図示せず）を、圧電デバイス２００のペロブスカイト圧電層２６０上に堆積して、電気通信デバイスまたは検知デバイスに組み込むことができるＳＡＷデバイスを形成することができる。ＩＤＴ層は、プラチナまたはタンタルで形成される、パターン形成された金属ストリップを含む。しかし、他の適切な材料を使用することができる。ＩＤＴ層は、１つまたは複数のインターデジタル変換器および反射器を含み、音波を電気信号に変換し、その逆も同様に変換する。特に所望される使用法に応じて、１つまたは複数の同じまたは異なる圧電デバイス２００を使用することができる。
【００２２】
上記の例示的な方法は、ダイヤモンド基板上にＰＺＴペロブスカイト相の層の、直接堆積を可能にする。本明細書で議論される技法は、バッファ層を必要とすることなく、ダイヤモンド基板上にＰＺＴ層を、信頼性高く一体化することを容易にする。有利なことに、ダイヤモンド基板上にＰＺＴ層を備えるデバイスは、ダイヤモンドの音の速度がかなり速いことのおかげで、高周波表面弾性波デバイスとして使用することができる。そのようなデバイスは、かなり高い感度、よりよい特異性、および高い分解能を有する。
【００２３】
上記の技法を使用して形成された表面弾性波デバイスは、電気通信および検知の応用分野で使用することができる。たとえば、表面弾性波センサは、化学物質対物理作用変換器として働く膜で被覆することができ、そのようなセンサは、化学物質検知の応用分野で採用することができる。膜は、検知される化学物質の存在に応答して、その物理的特性のうちの１つまたは複数が変化を呈する高分子材料を含むことができる。そのようなセンサは、とりわけ、化学物質の蒸気、神経作用物質、血液作用物質、および化学戦物質を検出するために使用することができる。さらに、そのようなデバイスは、フィルタ、共振器、移動交換システム、および全地球測位システムで使用することができる。そのようなデバイスは、ソナー（音響航法および測距）の応用分野でも使用することができる。
【００２４】
実施例。本発明は、実施例およびその比較例を用いて、以下でさらに詳細に説明することとする。しかし、本発明が、これらの実施例によって限定されることを決して意図するものではないことに留意されたい。
【実施例１】
【００２５】
シリコン基板上のＮＣＤ層の堆積。約２インチの厚さを有するシリコン基板が、ＮＣＤ層を堆積するために使用された。そのようなシリコン基板は、米国、ＭＴＩ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎなどの企業から、約２インチから約１２インチの厚さで市販されている。シリコン基板２１０は、ＮＣＤ層の形成前にエッチングされた。シリコン基板２１０は、約１０％の塩酸を約３０秒の期間使用してエッチングされた。続いて、シリコン基板２１０は、約１：１の比率を有するアンモニアと過酸化水素の溶液の中に約５分間浸けられ、その後、基板２１０をエチルアルコールで洗浄した。
【００２６】
洗浄された基板２１０は、次に、ダイヤモンドナノ粒子でシードされた。ダイヤモンドナノ粒子は、約４ナノメートルの粒子サイズを有するデトネーションダイヤモンドナノ粒子を含んでいた。ダイヤモンドナノ粒子は、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中で分散させられた。ダイヤモンドナノ粒子は、米国のＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｅｎｔｒｅ（ＩＴＣ）から入手された。シードされた基板は、次に、ＣＶＤリアクタ（米国、ｓｐ３  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．から入手された、ＣＶＤリアクタ、モデル番号６５０）内に置かれた。ＣＶＤリアクタ内で、タングステンフィラメントが使用され、シードされた基板２１０を加熱した。タングステンフィラメントの温度は、約２２００℃に制御され、基板２１０の温度は、約８００℃に制御された。タングステンフィラメントの温度は、パイロメータを使用して監視され、基板の温度は、Ｋタイプの熱電対を使用して測定された。
【００２７】
ＮＣＤ層２２０は、約８０ｓｃｃｍのガス流量のメタンと約３０００ｓｃｃｍのガス流量の水素のガス状混合物を通すことにより、加熱された基板２１０の第１の表面上に、化学的に気相堆積された。ＣＶＤリアクタ内の圧力は、約５トル（６６６．６１パスカル）に制御された。成長プロセス全体は、約３時間実施され、堆積されたＮＣＤ層の厚さは、約１．４ミクロンであると測定された。
【実施例２】
【００２８】
ＮＣＤ層上へのＰＺＴ層の堆積。上記のようなＮＣＤ層２２０を備えるシリコン基板２１０は、インド、バンガロールのＨｉｎｄ  Ｈｉｖａｃ  Ｐｖｔ．Ｌｔｄから調達されたＰＬＤチャンバ内に、組成物ＰｂＺｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３を有するＰＺＴターゲットとともに置かれた。ここで、約５モル％の酸化鉛（ＰｂＯ）がターゲットに加えられ、堆積およびポストアニール処理の期間の鉛および酸素の減少の補償をした。基板２１０は、ＰＬＤチャンバ内で、ターゲット面に平行に、抵抗加熱器上に搭載された。約２．２Ｊ／ｃｍ２のエネルギ密度を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ（フランスのＱｕａｎｔｅｌ製、モデル  Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ  ３５５ｎｍ、周波数１０Ｈｚ）の第３高調波ビームが、約４５度の角度でターゲットに合焦されて、ＰＺＴ層２６０が堆積された。ＰＬＤチャンバのベース圧力は、２×１０−６ｍｂａｒに維持される。
【００２９】
続いて、酸素がＰＬＤチャンバ内に一定の流量で導入された。ＰＬＤチャンバ内の堆積圧力は、約０．５ｍｂａｒに維持された。ＰＬＤチャンバ内の堆積温度は、約５５０℃に制御された。堆積されたＰＺＴ層２６０は、約１時間、堆積温度でアニールされた。堆積プロセスは、約１０分間実行され、ＰＺＴ層２６０の厚さは、約５００ナノメートルであると測定された。ＰＺＴ層２６０の厚さは、光学式プロフィルメータを使用して測定された。
【実施例３】
【００３０】
シリコン基板のＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ層の相および結晶性の分析。５５０℃および０．５ｍｂａｒの酸素分圧で堆積されたＰＺＴ層２６０の、約１時間のその位置での（ｉｎ−ｓｉｔｕ）アニール後の、相および結晶性の解析が、Ｃｕ  Ｋα放射を用いたＸ線回折（ＸＲＤ）により実施された。図３は、ＰＺＴ層のＸ線回折（ＸＲＤ）パターン３００を示す。ＸＲＤパターンは、オランダのＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ製、Ｘ’ｐｅｒｔＰＲＯ  ＸＲＤシステムを使用して得られた。ＸＲＤパターンから理解できるように、ＸＲＤパターン３００内の結晶配向は、ＰＺＴ層のペロブスカイト構造を明瞭に示している。
【実施例４】
【００３１】
ＰＺＴ層の微細構造検査。５５０℃の堆積温度および０．５ｍｂａｒの酸素分圧でＮＣＤ層２２０上に堆積されたＰＺＴ層２６０の微細構造が、電界放射型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（米国、オレゴンのＦＥＩ製、モデル  Ｑｕａｎｔａ  ３Ｄ）を使用して観測された。図４は、ＰＺＴ層２６０のＳＥＭ画像４００を示す。理解できるように、ＰＺＴ層２６０は、稠密に詰め込まれ、スムーズでピンホールのないナノ構造を呈した。ＰＺＴ層２６０の平均粒度は、約４０ナノメートルであると測定された。
【実施例５】
【００３２】
堆積されたＰＺＴ層のラマンスペクトル。上記のシリコン基板２１０のＮＣＤ層２２０上に堆積されたＰＺＴ層２６０のラマンスペクトルは、共焦点ラマン顕微鏡（ドイツ、Ｗｉｔｅｃ製、モデル  Ａｌｐｈａ  ３００）を使用して記録された。図５は、ＰＺＴ層のラマンスペクトル５００を示す。堆積されたＰＺＴ層のスペクトル５００は、参照番号５１０および５２０により表されるようなＰＺＴ層のピークならびに約１３３２ｃｍ−１の周波数にあるダイヤモンド層のピーク５３０に対応するすべてのピークを示す。さらに、ＰＺＴラマンモードの周波数は、横光学１モード（Ａ１（１ＴＯ））の約１３３ｃｍ−１、縦光学１モード（Ａ１（１ＬＯ））の約１９２ｃｍ−１、横光学２モード（Ｅ（２ＴＯ））の約２３０ｃｍ−１、（Ｂ１＋Ｅ）の約２８７ｃｍ−１、横光学２モード（Ａ１（２ＴＯ））の約３４９ｃｍ−１、横光学３モード（Ａ１（３ＴＯ））の約５９２ｃｍ−１、縦光学３モード（Ｅ（３ＬＯ））の約６７８ｃｍ−１、縦光学３モード（Ａ１（３ＬＯ））の約８４３ｃｍ−１であった。
【００３３】
約１３３２ｃｍ−１の周波数でのピーク５３０が、ＮＣＤ層の３重に縮退した中心フォノンモード（Ｆ２ｇ）を表していたことに留意されたい。さらに、約１１５０ｃｍ−１（ｖ１）の周波数のピーク５４０および約１４５０ｃｍ−１（ｖ２）の周波数のピーク５５０のそれぞれは、一般的にナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）薄膜と呼ばれる、約５００ｎｍのダイヤモンド膜未満の、有限の結晶サイズの粒界に存在する、トランスポリアセチレン（トランスＰＡ）に割り当てられた。（それぞれ、１１５０ｃｍ−１および１４５０ｃｍ−１の周波数の）２つのピークは、ＮＣＤのシグネチャー（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を表すことに留意されたい。これらのピークは、典型的には、単結晶ダイヤモンドまたは微晶質ダイヤモンドでは得られない。これらは、ＮＣＤの大きな粒界密度に起因してＮＣＤでのみ観察可能であり、このことにより、ＮＣＤ層が形成されたことが確認される。さらに、約５２１ｃｍ−１の周波数での参照番号５６０により表されるピークは、ベースシリコン基板に対応した。
【実施例６】
【００３４】
ＰＺＴ層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）結果。図６は、上記のような、ＮＣＤ層２２０上に堆積されたＰＺＴ層２６０のＡＦＭ画像６００を示す。ＡＦＭ画像は、米国、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製のＡＦＭ  モデル  Ｎｏ．５５０を使用して得られた。電気測定を実施するため、２つの金電極が、ＰＺＴ層２６０上に堆積された。２つの電極は、約１５０マイクロメートルの距離で離間された。ベースシリコン基板上のＮＣＤ層上に堆積されたＰＺＴ膜の電流−電圧特性７００が、図７にグラフで表されている。理解できるように、約±５０Ｖの印加電圧に対応する漏れ電流値は、約１０−６Ａであった。このことは、ＰＺＴ層の絶縁性が非常に高いことを示している。
【００３５】
本開示は、本明細書中に記載された特定の実施形態の観点から制限されるものではなく、本明細書は、さまざまな態様の説明として意図されている。当業者には明らかであるように、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態がなされ得る。本明細書に列挙されたものに加えて、本開示の範囲の中で機能的に等価な方法および装置が、上記の説明から当業者には明らかであろう。そのような変更形態および変形形態は、添付の特許請求の範囲に包含されることが意図される。本開示は、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の範囲全体とともに、添付の特許請求の範囲の条項によってのみ限定されるべきである。本開示は、当然変更することが可能な、特定の方法、試薬、化合物、組成物または生物学的なシステムに限定されないことを理解するべきである。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載するためだけのものであって、限定することは意図していないことも理解されたい。
【００３６】
本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。
【００３７】
通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（たとえば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ  ａｔ  ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ  ｂｕｔ  ｉｓ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。
【００３８】
たとえば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。
【００３９】
また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、通常、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（たとえば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ  ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。
【００４０】
２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ  ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。
【００４１】
当業者なら理解するように、記述を提供することに関するなど、あらゆるすべての目的のため、本明細書に開示の全範囲は、また、あらゆるすべての可能な部分範囲ならびにその部分範囲の組み合わせも包含する。任意の列挙された範囲は、十分に記載して、同じ範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などに分解できることが容易に認識できる。非限定の例として、本明細書で議論した各範囲は、下側の３分の１、中央の３分の１、上側の３分の１などに容易に分解できる。
【００４２】
また、当業者なら理解するように、「まで（ｕｐ  ｔｏ）」「少なくとも（ａｔ  ｌｅａｓｔ）」「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ  ｔｈａｎ）」「未満（ｌｅｓｓ  ｔｈａｎ）」などのすべての言葉は、記載した数を含み、上で議論したように、後で部分範囲に分解することができる範囲のことをいう。最後に、当業者なら理解するように、範囲は各個の要素を含む。したがって、たとえば、１〜３のセルを有するグループとは、１つのセル、２つのセル、または３つのセルを有するグループのことをいう。同様に、１〜５のセルを有するグループとは、１つのセル、２つのセル、３つのセル、４つのセル、または５つのセルを有するグループのことをいい、以下同様である。
【００４３】
さまざまな態様および実施形態が本明細書で開示されてきたが、他の態様および実施形態が、当業者には明らかであろう。本明細書に開示のさまざまな態様および実施形態は、説明を目的とするものであり、限定することを意図しておらず、真の範囲および精神は以下の特許請求の範囲によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年4月18日(2014.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電デバイスを製造する方法であって、
基板を準備することと、
前記基板の第１の表面上にナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を形成することと、
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に圧電層を堆積することと
を含む方法。
【請求項２】
前記基板がシリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧電層がペロブスカイト構造を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を形成することが、化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧電層を堆積することが、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記圧電層を堆積することが、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）チャンバ内に置かれた圧電ターゲットをレーザ源に曝すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記堆積された圧電層をアニールすることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＰＬＤチャンバ内の堆積温度が、約５２５℃から約６００℃である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記堆積温度が、約５５０℃である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＰＬＤチャンバ内の堆積圧力が、約０．４ｍｂａｒから約０．６ｍｂａｒである、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
圧電デバイスを製造する方法であって、
ダイヤモンド基板を準備することと、
ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層が結晶性ペロブスカイト相の層であるように、前記ダイヤモンド基板の第１の表面上に前記ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層を堆積することと
を含む方法。
【請求項１４】
前記ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層を堆積することが、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ダイヤモンド基板が、化学気相堆積（ＣＶＤ）技法を使用してベース基板上に形成されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
基板と、
前記基板の第１の表面上に配設されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層と、
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に堆積されたペロブスカイト圧電層と
を備える圧電デバイス。
【請求項１７】
前記基板がシリコンを含む、請求項１６に記載の圧電デバイス。
【請求項１８】
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の厚さが、約１ミクロンから約１０ミクロンである、請求項１６に記載の圧電デバイス。
【請求項１９】
前記ペロブスカイト圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層、またはジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項１６に記載の圧電デバイス。
【請求項２０】
前記デバイスが、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである、請求項１６に記載の圧電デバイス。
【請求項２１】
前記ペロブスカイト圧電層が、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）技法を使用して、前記ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層上に堆積される、請求項１６に記載の圧電デバイス。
【請求項２２】
圧電デバイスを表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスとして使用する方法であって、
前記圧電デバイスが、
基板、
前記基板の第１の表面上に配設されたナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）層、および
前記ナノ結晶ダイヤモンド層の第１の表面上に配設されたペロブスカイト圧電層
を備える、圧電デバイスを提供することと、
前記圧電デバイスの前記ペロブスカイト圧電層上に、インターデジタル変換器（ＩＤＴ）層を堆積することと
を含む方法。
【請求項２３】
前記基板がシリコンを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ペロブスカイト圧電層が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）層、またはジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記インターデジタル変換器層が、プラチナまたはタンタルを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記表面弾性波デバイスが電気通信デバイスに組み込まれる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記表面弾性波デバイスが検知デバイスに組み込まれる、請求項２２に記載の方法。
【国際調査報告】
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