(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的デバイスの構成要素となるべき基板本体と、
前記基板本体に形成される所定深さの凹部と、
前記基板本体の表面及び前記凹部の内部の表面に形成されるエッチング停止層と、
前記エッチング停止層の上で、前記凹部の内周縁との間に隙間を介して前記凹部内に形成される金属酸化物膜と、を備えるとともに、
前記基板本体の裏面から前記エッチング停止層に届く開口部を形成し、前記凹部と前記開口部との間で、前記金属酸化物膜が支持されていることを特徴とする金属酸化物膜付き基板。
【請求項２】
前記金属酸化物膜は圧電性又は焦電性の少なくともいずれか示す材質にて構成される請求項１に記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項３】
前記金属酸化物膜はペロブスカイト型構造、層状ペロブスカイト型構造、及びルチル型構造のいずれかである酸化物にて構成されている請求項２記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項４】
前記基板本体には、前記凹部の形成領域に対応する反対側の裏面上に開口部が形成されており、前記凹部と前記開口部との間に前記金属酸化物膜を支持するためのダイアフラム部が形成される請求項１ないし３のいずれかに記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項５】
前記ダイアフラム部は、前記金属酸化物膜が前記開口部の内周縁部によって保持されるように形成される請求項４に記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項６】
前記開口部の内周縁部が、前記凹部の内周縁よりも内側に入り込んで、膜支持部を形成し、当該膜支持部において、前記金属酸化物膜の外縁部が支持されている請求項４又は５に記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項７】
前記金属酸化物膜は厚さ方向両面に接する形で電極層が形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項８】
前記金属酸化物膜は圧電性を示す材質にて構成され、前記電極層を介して入力される入力電圧波形に対する共振器素子として機能する請求項７に記載の金属酸化物膜付き基板。
【請求項９】
電気的デバイスの構成要素となるべき基板本体の表面に金属酸化物膜の形成領域となる所定深さの凹部を形成するとともに、該凹部に対し、ゾルゲル法により金属酸化物膜を製造するための金属酸化物原料溶液（以下、これをゾルゲル溶液と称する）を用いてゾルゲル法により金属酸化物原料を充填することで前記凹部の深さに応じた厚さの原料塗布層を形成し、
次いで、その原料塗布層の凹部内周縁と接する前記金属酸化物膜の外周縁部を除去することにより前記凹部の内周縁と前記金属酸化物膜の外周縁との間に隙間を形成し、
前記原料塗布層を焼成することで前記原料塗布層の厚さに対応した厚さを有する金属酸化物膜を形成する金属酸化物膜付き基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は電気的デバイスの構成要素となる、金属酸化物膜付き基板及びその金属酸化物膜付き基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯｘ）等の金属酸化物膜を有する基板は、半導体記憶素子、圧電素子等に応用され、圧電薄膜共振器、強誘電体メモリ、圧電アクチュエータ、センサ等種々に利用される。従来において、このような金属酸化物膜を形成するためにゾルゲル溶液を用い、ゾルゲル法により基板に成膜した後、フォトリソグラフィを用いてエッチング処理してパターン形成する方法等が採られている。そして、このようなゾルゲル法による成膜法においてクラック等の不具合が生じ難く、所望の膜厚に精密にコントロールできるような方法が望まれていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決すべき課題は、クラック等の不具合が生じ難く、精密な膜厚コントロールのなされた金属酸化物膜を備える基板、及びその基板の製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記のような課題を解決するために本発明は、電気的デバイスの構成要素となるべき基板本体と、基板本体に形成される所定深さの凹部と、基板本体の表面及び凹部の内部の表面に形成されるエッチング停止層と、エッチング停止層の上で、凹部の内周縁との間に隙間を介して凹部内に形成される金属酸化物膜と、を備えるとともに、基板本体の裏面からエッチング停止層に届く開口部を形成し、凹部と開口部との間で、金属酸化物膜が支持されていることを特徴とする。
【０００５】
上記構成を採ると、凹部の深さを厳密にコントロールすることにより、その凹部深さに対応した膜厚の金属酸化物膜が得られるため膜厚の精密なコントロールが可能となる。なお、凹部深さのコントロールについては、基板本体を形成すべき素材の凹部形成側の表面を含む領域において、凹部として予定された部分をドライエッチング等により除去するようにすれば極めて精密なコントロールが可能となる。
【０００６】
さらに本発明は、凹部の形成領域に対応するこれと反対側の裏面上に開口部を形成し、凹部と開口部の内周縁部によって保持されるように金属酸化物膜を支持するためのダイアフラム部を形成することができる。このようにダイアフラム部を形成することにより、容易に振動発生を行うことができるため、圧電薄膜共振器等に有用な構成となる。
【０００７】
具体的には、金属酸化物膜において厚さ方向両面に接する形で電極層を形成し、例えば、金属酸化物膜を圧電性を示す材質にて構成しておけば、電極層を介して入力される入力電圧波形に対する共振器素子として機能するように構成できる。厚み振動や厚みの縦振動の圧電性を利用した共振器において共振周波数と圧電素子の厚さとは強い相関があり、周波数制御は圧電素子の厚さ制御の如何によってその精度が変化する。本発明において金属酸化物膜は上記したように精密な膜厚制御がなされるため、共振周波数も所望の値に精度よく設定できることとなり、共振器を利用した電気的デバイス（例えば、フィルタ素子等）も高精度なものとなる。
【０００８】
さらに本発明は以下のような金属酸化物膜付き基板の製造方法を提供する。
その製造方法は、電気的デバイスの構成要素となるべき基板本体の表面に金属酸化物膜の形成領域となる所定深さの凹部を形成するとともに、該凹部にゾルゲル法により金属酸化物原料を充填することで凹部の深さに応じた厚さの原料塗布層を形成し、次いで、その原料塗布層の凹部内周縁と接する金属酸化物膜の外周縁部を除去することにより凹部の内周縁と金属酸化物膜の外周縁との間に隙間を形成し、原料塗布層を焼成することで原料塗布層の厚さに対応した厚さを有する金属酸化物膜を形成することを特徴とする。
【０００９】
金属酸化物膜が備えられる電気的デバイス等においては、金属酸化物膜の膜厚コントロールが容易にかつ正確に行われることが望まれる。従来、ゾルゲル法を用いて金属酸化物膜を基板表面に形成する場合、膜厚の制御性に優れるとされるスピンコーティング法、ディップコーティング法等により行っていた。膜厚コントロールについてはゾルゲル溶液の濃度、粘度等の調整、或いはスピンコート時の回転数を調整することにより膜厚制御を行っていたが、その精度には限界があり、さらに微小な膜厚調整を行うことは困難であった。
【００１０】
上記製造方法のように、凹部深さを精密に形成することにより、その凹部深さに対応して膜厚も所望の厚さに正確に形成でき、微妙な膜厚コントロールも可能となる。  また、本発明はゾルゲル法による膜形成手法を採るため、焼成温度を下げることができるためＰｂＯ等の易揮発性成分を含む組成物や、複雑な組成物においても組成ズレのない良好な膜が得られる。その装置構成もＣＶＤ等と比較して複雑な装置構成とならない等の利点も併せて有する。
【００１１】
特に、凹部の内周縁と該凹部内に形成される金属酸化物膜の外周縁との間に所定量の隙間（例えば、図４（ｂ）のｄ）をゾルゲル溶液塗布後フォトリゾ等の手法により形成するようにできる。このように隙間を形成することで、ゾルゲル溶液を塗布した際に、金属酸化物膜の凹部の内周縁に接触する部分で、表面張力によって隆起し、所望の厚みとは異なる厚みとなった部分を除去することにより、金属酸化物膜が均一な膜厚にて平坦となる。特に、この除去を焼成前に行うことで、膜厚の不均一に起因して焼成時に生じるクラック等の不具合を防止できるため品質向上に寄与する。
【００１３】
ゾルゲル溶液にて凹部を充填すれば、上述したように凹部深さに対応した形で凹部内に精密な膜厚を有する金属酸化物膜が形成される。しかしながら、さらに精密性を要求した場合においては、凹部内の金属酸化物膜は凹部内周部における表面張力が作用するため均一厚さの原料塗布層が得られにくい。特にゾルゲル溶液を乾燥した際に、凹部内周縁に接触する原料塗布層の外周部に表面張力による隆起が生じる（即ち、原料塗布層の表面が平坦とならない）ことは否めない。このように外周部が隆起した状態のまま焼成工程を行うと、膜厚が不均一なためクラック等の不具合が生じやすく、焼成後に得られる金属酸化物膜も膜厚の精密さに欠けるものとなる。
【００１４】
上記検討に基づき更に改良を重ねた結果、凹部を充填するように原料塗布層を形成し、原料塗布層の凹部内周縁と接する外周縁部を焼成工程の前に除去するようにすれば、得られる膜は均一な厚さを有する部分のみが残され、そのような均一厚さを有する原料塗布層を焼成することによりクラック等の不具合を生じさせることなく金属酸化物膜を得ることが可能となった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
本発明の概要として、図３（ｂ）に示されるように、金属酸化物膜付き基板１は電気的デバイスの構成要素となるべき基板本体２の表面に金属酸化物膜の形成領域となる所定深さの凹部１０を形成するとともに、該凹部１０に対しゾルゲル法により金属酸化物膜を製造するための金属酸化物原料溶液（ゾルゲル溶液）を用いてゾルゲル法により金属酸化物原料を充填することで凹部１０の深さに応じた厚さの原料塗布層を形成し、該原料塗布層を焼成することで原料塗布層の厚さに対応した厚さの金属酸化物膜３０を形成することにより製造できる。
【００１６】
金属酸化物膜３０は、ペロブスカイト型構造、層状ペロブスカイト型構造、及びルチル型構造のいずれかの構造をとる酸化物にて構成することができ、特に圧電性又は焦電性の少なくともいずれか示す材質にて構成できる。これにより当該金属酸化物付き基板に圧電デバイス、或いは焦電デバイスとしての機能が付されることとなる。具体的には、例えばＰＺＴ、ＰＴ，ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯＸ），ＰＬＺＴ（ＰｂＬａＺｒＴｉＯＸ）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯＸ）、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯＦ、ＢＳＧ（ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３）、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｃｒ添加Ｖ２Ｏ３、ＶＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、Ｋ０．３ＭｏＯ３、ＥｕＯ、Ｓｒ３Ｔｉ２Ｏ７、Ｓｒ２Ｔａ２Ｏ７、ＫＬａＮｂ２Ｏ７、ＲｂＮｄＮｂ２Ｏ７、ＲｂＢｉＮｂ２Ｏ７、ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０、Ｎａ２Ｇｄ２Ｔｉ３Ｏ１０、Ｋ２Ｌａ２Ｔｉ３Ｏ１０、Ｋ４Ｎｂ６Ｏ１７、ＫＴｉＮｂＯ５、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、ＬａＣｏＯ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＯ、Ｌａ１．８５Ｓｒ０．１５ＣｕＯ４、ＥｕＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ｘ、Ｅｕ２ＢａＣｕＯ５、Ｃａ３Ｔｉ２Ｏ７、Ｓｒ２Ｎｂ２Ｏ７、Ｃａ２Ｎｂ２Ｏ７、Ｋ４Ｎｂ６Ｏ１７、ＫＣａ２ＮａＮｂ４Ｏ１３、等を上げることができる。
【００１７】
上記の酸化物膜を形成するためのゾルゲル溶液としては、得るべき酸化物の金属カチオンを所定比で含有した金属アルコキシドを加水分解することにより調整することができる。また、そのような溶液の市販品を使用することができる。例えば、ＰＴ（チタン酸鉛）の場合、ＰＴ−２５（高純度化学研究所製  ディプコート材）等を用いることができる。なお、溶液の粘性調整のためアルコールを用いて希釈することができる。凹部１０中に精度よく塗布膜を形成するには、溶液の粘性を２〜３．５ｃｐｓとするのがよい。また、溶液中のアルコキシドの濃度は０．１〜２５重量％とするのがよい。
【００１８】
以下、金属酸化物膜付き基板の製造方法について説明する。
図１（ａ）に示されるように、基板本体の一部となるべく単結晶シリコンにて形成されるシリコン基板４の凹部形成側の表面を含む領域において、凹部として予定された部分（以下、凹部予定領域１０ａともいう）を図１（ｂ）のごとく乾式エッチング（以下、ドライエッチングともいう）等で除去する。なお凹部深さはドライエッチング等により所望の厚さに精密に設定される。ドライエッチングとしては例えばプラズマエッチング法、リアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）、サンドブラスト法等、公知の方法を用いることができる。なお、凹部１０は図１（ｂ）に示されるように凹部として予定された部分が除去されて形成される場合のみならず、その形成された凹部内に新たな層（後述する裏面側エッチング停止層５）が設けられた場合においてその層表面に形成される部分も凹部１０として包含する。
【００１９】
図１（ｃ）に示されるように、凹部予定領域１０ａにおいて後述する異方性エッチング等の裏面側エッチングに対し耐性を有する第二材質（本実施例においては窒化珪素薄膜）にて形成された裏面側エッチング停止層５（エッチングマスク）を形成する。なお、シリコン基板４と、その裏面側エッチング停止層５とにより基板本体２が形成される。本実施例においては、凹部予定領域１０ａとして除去された部分に裏面側エッチング停止層５が備えられて凹部１０とされ、その凹部１０の深さは、凹部予定領域１０ａの深さに対応した値とされる。本実施例においては凹部予定領域１０ａと凹部１０の深さはほぼ等値とみなすことができる。
【００２０】
そして、図１（ｄ）のごとく、形成された裏面側エッチング停止層５の表面において、スパッタリング等により下部電極層７ａが備え付けられ、その下部電極層７ａと電気的に接続されてその電気信号を凹部外に取り出すように下部電極用パターン１３が形成される。この電極パターン形成手法については公知のパターン形成方法を利用できる。
【００２１】
そして、下部電極層７ａが形成された後、図２（ａ）に示すようにゾルゲル溶液をディップコーティング、スピンコーティング等により凹部１０内に充填し、原料塗布層１５を形成する。この時、凹部１０の基準面、即ち基板本体表面とほぼ面一となるようゾルゲル溶液を凹部内に充填すれば、ゾルゲル溶液塗布層は、上記したドライエッチングにて精密に形成される深さに対応した膜厚にて形成されることとなり、凹部深さに等しい膜厚が得られることとなる。なお、凹部深さは下部電極層７ａの厚さを考慮した深さ、即ち、望まれる原料塗布層１５の厚さ（この厚さは焼成等による厚さ減少量を考慮し、最終成形品に基づいて設定される）に下部電極層７ａの厚さを加味して設定できる。
【００２２】
そして、図２（ｂ）に示すような乾燥工程を経た後、図２（ｃ）のように原料塗布層１５（なお、本実施例では乾燥後の原料塗布層を乾燥後原料塗布層１５ａとしている）の凹部内周縁と接する外周縁部を、酸溶液やゾルゲル溶液の溶媒と同じものでウエットエッチングするようにできる。具体的には、例えば、フォトリソグラフィ法により除去部以外の部分にレジストパターンを作成した後、露出部を２−メトキシエタノール等のエッチャントを使用して除去するようにできる。
【００２３】
そして、図２（ｄ）のように焼成工程を行ない、金属酸化物膜３０を得る。なお、焼成後の膜厚は焼成前の乾燥膜及び乾燥前の塗布層の厚さに対応して減少するため、焼成後に所望の膜厚が得られるよう塗布層の厚さ、即ち凹部深さを設定するようにすればよい。換言すれば、乾燥工程及び焼成工程による膜厚の減少を考慮して塗布層の膜厚の設定、即ち凹部１０の深さ設定をする。
【００２４】
そして、図３に示されるように、上部電極層７ｂ及びその上部電極層７ｂからの電気的情報を取り出すように上部電極用パターン１１を形成する。これらの形成については、例えば電極及びパターン形成予定部以外の部分にフォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト層を設け、露出部に電極パターンを形成した後にそのレジスト層を除去するようにすればよい。なお図３及び図４（ａ）に示されるように、上部電極層７ｂと上部電極用パターン１１はボンディングワイヤ１４等の導通部にて電気的に接続することができる。
【００２５】
また、以下のような構成を採ることもできる。即ち、図３（ｂ）に示されるように、基板本体２において、凹部１０の形成領域に対応する反対側の裏面上に開口部１２を形成し、凹部１０と開口部１２との間に金属酸化物膜３０を支持するためのダイアフラム部２０を形成できる。そして、金属属酸化物付き基板１は、金属酸化物膜３０を圧電性を示す材質にて構成し、電極層７（上、下部電極層７ａ，７ｂ）を介して入力される入力電圧波形に対する共振器素子、例えばフィルタ素子として機能するようにできる。このようにダイアフラム部を形成することにより、金属酸化物膜の形成部分において高精度の共振振動を発生させることができ、圧電薄膜共振器等に有用な構成となる。
【００２６】
また、開口部１２の内周縁部が、凹部１０の内周縁よりも内側に入り込んで、膜支持部３２を形成し、当該膜支持部において金属酸化物膜３０の外縁部が支持されるようにできる。このようにすることで裏面側エッチング停止層５が薄い場合でも金属酸化物膜３０等が支持可能となる。なお、裏面側エッチング停止層５が厚い場合には裏面側エッチング停止層５のみで金属酸化物膜３０等を支持できるため、必ずしも開口部１２の内周縁部が、凹部１０の内周縁よりも内側に入り込まなくてもよい。
【００２７】
なお、基板本体２の少なくとも開口部１２の内周面部を、特定の腐食液に対して腐食される第一材質により形成し、一方、ダイアフラム部２０を該腐食液による腐食に耐える第二材質により形成できる。本実施例では第一材質を単結晶シリコンとし、第二材質を窒化珪素質セラミックにて構成している。そして、開口部１２は裏面側からエッチング停止層５に到達する位置まで第一材質部分を公知の異方性エッチングにて形成するようにできる。また、異方性エッチングのための腐食液としてはＫＯＨ水溶液等を使用できる。これにより容易にダイアフラム構造を採ることができるとともに圧電共振器等に有用な構成となる。なお、裏面側エッチング停止層５は表面が平滑に形成されるため、裏面側のエッチング後においてダイアフラム部２０の表面を平滑に形成できることとなる。
【００２８】
本発明構成において、凹部１０、下部電極層７ａ、金属酸化物膜３０等における寸法は例えば以下のようにできる。図４（ｂ）に示されるように、凹部１０の内周縁と金属酸化物膜３０の外周縁により形成される隙間ｄは５μｍ〜２００μｍとするのが望ましい。ｄが５μｍ以下であると金属酸化物膜の外周部の除去が不十分となり易い。また、ｄが２００μｍ以上であると、基板の有効利用に支障をきたす。さらに、形成される凹部深さｔ２とした場合、ｔ２は０．０５μｍ〜２μｍの範囲にて形成されることが望ましい。ｔ２が０．０５μｍ未満であれば有効な膜厚が得られず、素子としての機能が不十分となりやすい。また、ｔ２が２μｍを超えるとクラック等の不具合が生じやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属酸化物膜付き基板の製造方法における工程例を示す説明図。
【図２】本発明の金属酸化物膜付き基板の製造方法における工程例２を示す説明図。
【図３】本発明の金属酸化物付き基板の一例を示す側面断面図。
【図４】図３の要部を示す平面図及び側面断面の一部拡大図。
【符号の説明】
１  金属酸化物膜付き基板
２  基板本体
４  シリコン基板
５  裏面側エッチング停止層
７  電極層
７ａ  下部電極層  （電極層）
７ｂ  上部電極層  （電極層）
１０  凹部
１０ａ  凹部予定領域
１１  上部電極用パターン
１２  開口部
１３  下部電極用パターン
１５  原料塗布層
２０  ダイアフラム部
３０  金属酸化物膜
【図１】
0004759117.tif 000002
【図２】
0004759117.tif 000003
【図３】
0004759117.tif 000004
【図４】
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