(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に（１１１）に優先配向された白金薄膜を形成し、
マグネトロンスパッタ装置を用いて、上記白金薄膜上に２０〜２００ｎｍの膜厚の第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、
上記第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、上記第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に、第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、
その後、上記第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第１のジルコン酸鉛薄膜及び上記第２のジルコン酸鉛薄膜を（１００）に優先配向させる
圧電薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロアクチュエーター等に用いて好適な圧電薄膜の製造方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板を微細加工して作製されるマイクロアクチュエーターやセンサ等の駆動源の１つとして、圧電薄膜が使用されている。
【０００３】
一般に、この圧電薄膜はシリコン単結晶基板（表面にごく薄いシリコン酸化膜が形成されている）上に、Ｔｉ膜とＰｔ膜との積層膜から成る下地膜を介して、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜から成る圧電膜を形成している。
このチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の形成方法には、スパッタ法、ゾルゲル法、並びにＣＶＤ（化学的気相成長）法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＰＺＴ薄膜においては、Ｔｉリッチの組成では（１１１）に優先配向させた方が高い自発分極を示し、Ｚｒリッチの組成では（１００）に優先配向させた方が高い自発分極を示す。
そして、ＴｉリッチのＰＺＴを使用する場合だけでなく、自発分極以外のその他の特性や製造の条件等により、ＺｒリッチのＰＺＴを使用する場合もあり、その場合には良好な特性を得るためにＰＺＴを（１００）に優先配向させることが望ましい。
【０００５】
ここで、（１００）に優先配向したＰＺＴを製造するには、下地膜のＰｔ膜を（１００）に優先配向させる必要がある。一方、下地のＰｔ膜が（１１１）に優先配向していると、Ｐｔ膜の影響により、その上のＰＺＴは（１１１）に優先配向した膜となる。
【０００６】
そして、（１００）に優先配向させたＰｔ膜をシリコンウエハ上に形成するためには、Ｐｔ膜の下地膜としてマグネシアＭｇＯ単結晶薄膜が用いられるが、このマグネシア単結晶薄膜は単結晶化のために成膜時の基板温度を高くする必要があり、特別な成膜装置を使用しなければならない。
従って、製造コストがかかり、圧電薄膜を用いた装置を大量生産することが困難になる。
【０００７】
このことから、ＺｒリッチのＰＺＴを用いる場合にも、（１１１）に優先配向したＰＺＴ薄膜を形成せざるを得なくなり、特性が犠牲になりデバイスの設計上の自由度も小さくなってしまう。
また、無配向のＰＺＴ薄膜を形成した場合にも、圧電薄膜として充分な特性が得られない。
【０００８】
上述した問題の解決のために、本発明においては、良好な自発分極特性が得られ、設計上の自由度を広くすることができる圧電薄膜の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電薄膜の製造方法は、基板上に（１１１）に優先配向された白金薄膜を形成し、マグネトロンスパッタ装置を用いて、この白金薄膜上に２０〜２００ｎｍの膜厚の第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第１のジルコン酸鉛薄膜及び上記第２のジルコン酸鉛薄膜を（１００）に優先配向させるものである。
【００１２】
上述の本発明製法によれば、（１１１）に優先配向された白金薄膜上に２０〜２００ｎｍの膜厚の第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第１のジルコン酸鉛薄膜及び上記第２のジルコン酸鉛薄膜を（１００）に優先配向させることにより、通常は（１１１）に優先配向されるチタン酸ジルコン酸鉛を（１００）に優先配向させることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板上に（１１１）に優先配向された白金薄膜を形成し、マグネトロンスパッタ装置を用いて、この白金薄膜上に２０〜２００ｎｍの膜厚の第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理後に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、第１のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜上に第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を成膜し、その後、第２のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の結晶化熱処理を行って、上記第１のジルコン酸鉛薄膜及び上記第２のジルコン酸鉛薄膜を（１００）に優先配向させる圧電薄膜の製造方法である。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態として、圧電薄膜の概略構成図（断面図）を示す。
この圧電薄膜１は、シリコンＳｉ単結晶基板２上に、Ｔｉ膜３及びＰｔ膜４の積層膜から成る下地膜１１を介して、チタン酸ジルコン酸鉛薄膜（以下ＰＺＴ薄膜とする）５が形成され、ＰＺＴ薄膜５上にＰｔ膜６が形成されて構成されている。
【００１６】
ＰＺＴ薄膜５は、圧電作用を有しており、電圧を加えることにより伸び縮みする圧電膜として用いられている。
ＰＺＴ薄膜５の下のＰｔ膜４は圧電膜の下部電極となり、ＰＺＴ薄膜５の上のＰｔ膜は圧電膜の上部電極となる。
また、Ｔｉ膜３は、シリコン基板２とＰｔ膜４との密着性を良好にする目的で形成されている。
【００１７】
本実施の形態においては、特に圧電膜を構成するＰＺＴ薄膜５を（１００）に優先配向したＰＺＴ薄膜として圧電薄膜１を構成する。
【００１８】
これにより、例えばＺｒリッチのＰＺＴ薄膜５を使用する場合でも、高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【００１９】
また、（１１１）に優先配向された白金薄膜４上には（１１１）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛も形成することが可能である。
従って、例えば（１００）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛５と（１１１）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛とを同一基板１上に共存させることも可能になる。
【００２０】
図１に示した本実施の形態の圧電薄膜１は、次のようにして製造を行うことができる。
例えば４インチの（１００）シリコン単結晶基板２を有機溶剤及び純水で洗浄した。このとき、シリコン単結晶基板２の表面にＳｉＯ2 熱酸化膜（図示せず）が３００ｎｍ程度形成される。
【００２１】
そして、図２Ａに示すように、シリコン単結晶２の表面上にＴｉ膜３を例えば５０ｎｍの厚さに成膜する。成膜装置にはマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばＲＦ出力１．２ｋＷ、Ａｒガス雰囲気で圧力０．３Ｐａの条件下で成膜する。
【００２２】
次に、図２Ｂに示すように、Ｔｉ膜３の表面上にＰｔ膜４を例えば１００ｎｍの厚さに成膜する。成膜装置にはマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばＲＦ出力０．３ｋＷ、Ａｒガス雰囲気で圧力０．３Ｐａの条件下で成膜する。
これにより、Ｔｉ膜３とＰｔ膜４の積層膜から成る下地膜１１が形成される。
【００２３】
続いて、図２Ｃに示すように、Ｐｔ膜４の表面上にＰＺＴ薄膜（以下第１のＰＺＴ薄膜とする）７を成膜する。この第１のＰＺＴ薄膜７の成膜には、例えばマグネトロンスパッタ装置を用いて、例えばＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3-x 組成のターゲットにより、例えばＲＦ出力０．３ｋＷ、Ａｒガス及び酸素雰囲気（例えばＡｒ／Ｏ２比＝１／９）で圧力０．４Ｐａの条件下で成膜する。
【００２４】
次に、赤外線加熱炉内で酸素を流しながら第１のＰＺＴ薄膜７の結晶化熱処理を行う。加熱時間及び保持時間は例えば７００℃・１０分とする。
【００２５】
続いて、図３Ｄに示すように、第１のＰＺＴ薄膜７の表面上にさらにＰＺＴ薄膜（以下第２のＰＺＴ薄膜とする）８を例えば５００ｎｍの厚さに成膜する。尚、成膜装置及び成膜条件は、第１のＰＺＴ薄膜７の成膜工程と同様にすることができる。
【００２６】
その後、再度ＰＺＴ薄膜の結晶化熱処理を行った。
この結晶化熱処理により、第１のＰＺＴ薄膜７及び第２のＰＺＴ薄膜８が、図３Ｅに示すように（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜５となる。
【００２７】
その後は、ＰＺＴ薄膜５上にＰｔ膜６を成膜することにより、図１に示した構成の圧電薄膜１を製造することができる。
【００２８】
尚、Ｔｉ膜３及びＰｔ膜４の成膜方法には、上述のスパッタ法の他、蒸着法を用いてもよい。
また第１のＰＺＴ薄膜７及び第２のＰＺＴ薄膜８の成膜方法には、上述したスパッタ法の他、ゾルゲル法等を用いてもよい。
【００２９】
ここで、実際に上述の製造工程によりＰＺＴ薄膜５について、Ｘ線ディフラクトメーターを用いて配向性を調べた。
Ｘ線ディフラクトメーターによるＸ線ピークプロファイルを図４〜図６に示す。図４はＰＺＴ薄膜が無配向である場合のＸ線ピークプロファイルであり、図５はＰＺＴが（１１１）に優先配向している場合のＸ線ピークプロファイルであり、図６はＰＺＴが（１００）に優先配向している場合のＸ線ピークプロファイルである。
【００３０】
試験の条件は、他の条件は同一として、第１のＰＺＴ薄膜７の膜厚を、２０〜５００ｎｍと変化させた。また、対照用として、第１のＰＺＴ薄膜７の膜厚が０ｎｍの場合即ちＰＺＴ薄膜を１層のみで５００ｎｍの膜厚に成膜した場合の配向性も調べた。
配向性の評価は、Ｘ線回折プロファイル中、（１００）、（１１０）、（１１１）のピークを用いて、各ピークの強度比で算出した。この配向性の評価の結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
0005103694.tif 000002
【００３２】
表１より、第１のＰＺＴ薄膜７の膜厚を２０〜２００ｎｍとして、熱処理した後さらに第２のＰＺＴ薄膜８を成膜することにより、通常（１１１）に優先配向或いは無配向となるＰＺＴ薄膜を（１００）に優先配向させることが可能となることがわかる。
以上のことから、第１のＰＺＴ薄膜の膜厚を制御することにより、ＰＺＴ薄膜５の配向性を、（１１１）優先配向の他、（１００）優先配向とすることも可能となり、デバイスを設計する上での自由度が向上する。
【００３３】
尚、ここでは第２のＰＺＴ薄膜８の膜厚を５００ｎｍとしたが、第２のＰＺＴ薄膜８はこの膜厚には限定されず、その他の膜厚としても同様にＰＺＴ薄膜５を（１００）に優先配向することが可能である。
【００３４】
上述の本実施の形態によれば、比較的容易に製造が可能な（１１１）に優先配向されたＰｔ膜４上に、（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜５が形成されていることにより、（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜５を用いた圧電薄膜１を容易に製造することが可能な構造となっている。
これにより、例えばＰＺＴ薄膜５にＺｒリッチのＰＺＴ薄膜５を使用する場合でも、高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【００３５】
また、（１１１）に優先配向されたＰｔ膜４上には（１１１）に優先配向されたＰＺＴ薄膜も形成することができるので、例えば（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜と（１１１）に優先配向されたＰＺＴ薄膜とを同一基板上に共存させることも可能になる。
【００３６】
このように、（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜５を形成したシリコン単結晶基板２を用いることにより、シリコン基板のウェハ上で形成する機能デバイスの設計の自由度を向上させることができる。
【００３７】
そして、同一基板上に（１００）に優先配向上させたＰＺＴ薄膜５及び（１１１）に優先配向させたＰＺＴ薄膜を共存させた構成即ち配向性の異なるＰＺＴ薄膜を共存させた構成とすることにより、さらに機能デバイスの設計の自由度を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施の形態によれば、（１１１）に優先配向されたＰｔ膜４上に、２０〜２００ｎｍの膜厚で第１のＰＺＴ薄膜７を成膜し、熱処理した後にこの第１のＰＺＴ薄膜７上に第２のＰＺＴ薄膜８を成膜することにより、（１１１）に優先配向されたＰｔ膜４上に（１００）に優先配向されたＰＺＴ薄膜５を形成することができる。
【００３９】
尚、前述したように同一基板上に配向性の異なるＰＺＴ薄膜を共存させた構成を製造する場合には、マスク等を使用することにより、１つのターゲットのみで配向性の異なるＰＺＴ薄膜をシリコン基板の同一平面内に成膜することも可能になる。
【００４０】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００４１】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、（１００）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を容易に製造することが可能になり、例えばジルコンリッチの組成のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を用いる場合でも高い自発分極を発生させて圧電膜として良好な特性を得ることができる。
【００４２】
また、例えば必要に応じて（１１１）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜と（１００）に優先配向されたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜とを使い分けたり同一基板上に共存させることが可能になるため、デバイスの設計の自由度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の圧電薄膜の概略構成図（断面図）である。
【図２】Ａ〜Ｃ  図１の圧電薄膜の製造工程を示す工程図である。
【図３】Ｄ、Ｅ  図１の圧電薄膜の製造工程を示す工程図である。
【図４】ＰＺＴが無配向である場合のＸ線ピークプロファイルである。
【図５】ＰＺＴが（１１１）に優先配向している場合のＸ線ピークプロファイルである。
【図６】ＰＺＴが（１００）に優先配向している場合のＸ線ピークプロファイルである。
【符号の説明】
１  圧電薄膜、２  シリコン単結晶基板、３  Ｔｉ膜、４  Ｐｔ膜（下部電極）、５  ＰＺＴ薄膜、６  Ｐｔ膜（上部電極）、７  第１のＰＺＴ薄膜、８  第２のＰＺＴ薄膜、１１  下地膜
【図１】
0005103694.tif 000003
【図２】
0005103694.tif 000004
【図３】
0005103694.tif 000005
【図４】
0005103694.tif 000006
【図５】
0005103694.tif 000007
【図６】
0005103694.tif 000008