JP2006257501A - 誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面を切削や研磨をすることなしに、平滑な表面を得ることのできる誘電体薄膜の製造方法を提供することにある。
【解決手段】 基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成した後、その第一の誘電体薄膜上に、化学溶液法で第二の誘電体薄膜を形成するか、又はＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法、又はドクターブレード法で第二の誘電体薄膜を形成する。あるいは、基材上に、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成した後、その誘電体薄膜の表面をウエットエッチングして、平滑度を向上させた表面を現出させる。
【選択図】 図１
【解決手段】 基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成した後、その第一の誘電体薄膜上に、化学溶液法で第二の誘電体薄膜を形成するか、又はＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法、又はドクターブレード法で第二の誘電体薄膜を形成する。あるいは、基材上に、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成した後、その誘電体薄膜の表面をウエットエッチングして、平滑度を向上させた表面を現出させる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、誘電体薄膜の製造方法に関するものであり、数μｍ以上５０μｍ以下の膜厚で高い膜密度が要求されるセラミックス膜の形成方法として広範囲の分野において有効である。具体的には、インクジェットプリンタヘッド、ハードディスクドライブヘッドのポジショナー、様々なＭＥＭＳスイッチ用のアクチュエータの駆動部分に用いる圧電薄膜や電気光学素子用薄膜、表面コーティング膜等を形成する方法として適用できるものである。
薄膜形成技術として、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、化学溶液法（ゾルゲル法を含む）、等があるが、これらの成膜方法は、原子または分子状態からの成長過程を経るため、成膜レートをあまり高くすることができないため、数μｍ以上の膜を得るのは実用上困難である。また、原料の価格や装置の価格が高いという問題もある。
一方、近年、セラミックの微粒子をガス攪拌などによりエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速し、これを基板上に噴射、衝突させることで膜を形成するエアロゾルデポジション法が研究されている。例えば、特開２００２−２３５１８１号公報（特許文献１）、特開２００２−３０９３８４号公報（特許文献２）、特開２００３−１８３８４８号公報（特許文献３）等である。この成膜方法では、微粒子の運動エネルギーの一部が基板に衝突することにより熱エネルギーに変換され、微粒子間あるいは基板−微粒子間を焼結させている。エアロゾルデポジション法は、成膜速度が非常に速く（他の成膜方法の１００倍以上）、原料価格も安価で、しかも、密度の高い膜が容易に得られることから、他の成膜方法と比べて非常に魅力的な成膜方法であると言われている。
特開２００２−２３５１８１号公報
特開２００２−３０９３８４号公報
特開２００３−１８３８４８号公報
しかしながら、現状、エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面は、微視的には平滑ではない。そこで、平滑な表面が要求される場合は、膜形成後に表面の切削あるいは研磨を行う必要がある。平面研削を行う場合は研削機の機械的制約のため、研削前に堆積する誘電体薄膜の膜厚は最低５０μｍ以上存在する必要がある。また、繊細な機能性を期待する誘電体薄膜（例えば圧電薄膜や焦電薄膜、等）の場合、研削時のダメージで特性に悪影響を与えることもある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面を切削あるいは研磨などの処理をすることなしに、平滑な表面を得ることのできる誘電体薄膜の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、その第一の誘電体薄膜上に、化学溶液法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする。
請求項２の発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、その第一の誘電体薄膜上に、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする。
請求項３の発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、その第一の誘電体薄膜上にドクターブレード法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする。
請求項４の発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、基材上に、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成する工程と、その誘電体薄膜の表面をウエットエッチングすることによって、平滑度を向上させた表面を現出させる工程を有することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体薄膜の製造方法において、最終的な誘電体薄膜の表面の中心平均粗さＲａが５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体薄膜の製造方法において、エアロゾルデポジション法で形成する誘電体薄膜が、ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６記載の誘電体薄膜の製造方法において、上記ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜が、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ａ・ＡＮｂＯ3（Ａ＝アルカリ金属のカリウム、ナトリウム、リチウム、またはそれらの組み合わせ）のうちのいずれかからなることを特徴とする。
＜発明の要点＞
本発明では、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成した後に、その上に化学溶液法（ゾルゲル法）で誘電体薄膜を形成する。これにより、エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面を切削あるいは研磨などの処理をすることなしに、平滑な表面を得ることができる。
本発明では、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成した後に、その上に化学溶液法（ゾルゲル法）で誘電体薄膜を形成する。これにより、エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面を切削あるいは研磨などの処理をすることなしに、平滑な表面を得ることができる。
これによって、所望の膜厚よりも無駄に厚い膜を形成する必要がなくなるため、製造コストや製造時間を削減することができ、更に、研削時のダメージがなくなるため、薄膜を素子の一部として用いる場合は信頼性が大幅に向上する。
エアロゾルデポジション法での成膜の後の成膜は、化学溶液法に限定されるものではなく、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法等、様々な方法が適用できる。
本発明によれば、エアロゾルデポジション法で形成した誘電体薄膜の表面を切削あるいは研磨などの処理をすることなしに、平滑な表面の誘電体薄膜を得ることができる。
従って、本発明によって、エアロゾルデポジション法の弱点と言われていた表面平滑性が悪いという問題を、容易かつダメージフリーな方法で改善できるようになる。これによって、エアロゾルデポジション成膜の応用範囲が大幅に広がる。
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
本発明には４つの実施形態がある。
第一の実施形態は、基材（例えば図１（ａ）の基板１）上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜（例えば図１（ｂ）の第一のＰＺＴ薄膜４）を形成した後、その第一の誘電体薄膜上に、化学溶液法で第二の誘電体薄膜（例えば図１（ｃ）の第二のＰＺＴ薄膜５）を形成するものである。ここで、化学溶液法で形成する第二の誘電体薄膜は、必ずしも第一の誘電体と同じ組成の誘電体薄膜である必要はなく、第一の誘電体と異なる組成の誘電体薄膜であってもよい。
第二の実施形態は、基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成した後、その第一の誘電体薄膜上に、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法で第二の誘電体薄膜を形成するものである。ここで、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法で形成する第二の誘電体薄膜は、第一の誘電体と同じ組成の誘電体薄膜または第一の誘電体と異なる組成の誘電体薄膜のいずれであってもよい。
第三の実施形態は、基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成した後、その第一の誘電体薄膜上にドクターブレード法で第二の誘電体薄膜を形成するものである。ここで、ドクターブレード法で形成する第二の誘電体薄膜は、第一の誘電体と同じ組成の誘電体薄膜または第一の誘電体と異なる組成の誘電体薄膜のいずれであってもよい。
上述の三つの実施形態において、第一誘電体薄膜と第二誘電体薄膜を合わせた全体の厚さは、５０μｍ未満、例えば２０μｍでよい。ちなみに従来の研削による場合は５０μｍ以上の厚さが必要である。
第四の実施形態は、基材（例えば図８の基板１）上に、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜（例えば図８のＰＺＴ薄膜（Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3膜）６２）を形成した後、その誘電体薄膜の表面をウエットエッチングすることによって、平滑度を向上させた表面を持つ誘電体薄膜（例えば図８のＰＺＴ薄膜（Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3膜）６０）を現出させるものである。
この第四の実施形態においても、エッチング後の誘電体薄膜の厚さは、５０μｍ未満、例えば２０μｍでよく、従来の研削による場合のように５０μｍ以上の厚さを確保する必要がない。
第一の実施例として、誘電体薄膜としてのＰＺＴ圧電膜（Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜）（膜厚２０μｍ）の製造例について記載する。
図１（ａ）に示すように、基板１にはＳｉ（１００）基板（２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出した物、厚さ１．０ｍｍ）を用いて、まず、その基板上にＰｔ下部電極膜２（膜厚０．５μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法によって成膜した。Ｐｔ下部電極膜２の成膜条件は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、圧力約２．６６６Ｐａ（０．０２Ｔｏｒｒ）で行った。
その後、図１（ｂ）に示すように、前記のＰｔ下部電極膜２上にエアロゾルデポジション法で、第一の誘電体薄膜として、Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（第一のＰＺＴ薄膜ともいう）４を１９．７μｍの膜厚に形成した。
このエアロゾルデポジション法によるＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜の形成方法の詳細を以下に記載する。
図２にエアロゾルデポジション成膜装置の構成の概略を示す。
このエアロゾルデポジション成膜装置においては、ヘリウム（Ｈｅ）のガスボンベ１１が、配管１２ａにより減圧弁２１、マスフロコントローラ２２、開閉弁２３を介してエアロゾル発生器であるエアロゾル室（ＡＤ室）１３に連結され、さらに開閉弁２４、配管１２ｂを通じて、成膜チャンバー１４内に配置されたノズル１５に連結される。ノズル１５の先方には、ヒータ２０を内蔵する基板ホルダー１６により基板３がノズル１５に対向して１０ｍｍの間隔をあけて配置される。基板ホルダー１６はＸＹステージ１７に取り付けられており、基板３がＸＹ方向に移動できる構成となっている。成膜チャンバー１４には粉体フィルタ１８を通して排気ポンプ１９が接続されている。
原料微粒子には、粒径が０．１〜２μｍの良好な圧電特性を有するペロブスカイト構造のＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3微粒子を用いた。原料微粒子は２００ｇをエアロゾル室１３にチャージし、搬送用ガスとしてはＨｅガスを用いた。エアロゾル室１３でエアロゾル化した原料を、搬送用のＨｅガスに乗せて、成膜チャンバー１４に搬送し、開口面積（０．３ｍｍ×５ｍｍ）のノズル１５を通すことで高速に加速し、基板３に吹き付けることで前記の第一のＰＺＴ薄膜４を成膜した。基板３はノズルに対してＸＹステージ１７で連続的に走査することで、基板全面に均一に成膜した。Ｈｅ搬送ガスの流量は１〜５Ｌ／ｍｉｎ、成膜チャンバー内の圧力は約１３３．３２Ｐａ〜２６６６．４Ｐａ（１〜２０Ｔｏｒｒ）の範囲で行った。
更に、図１（ｃ）に示すように、上記Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（１９．７μｍ）から成る第一のＰＺＴ薄膜４上に、化学溶液法で、第二の誘電体薄膜として、Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（第二のＰＺＴ薄膜ともいう）５を０．３μｍの膜厚に形成し、積層した。
この化学溶液法での成膜条件の詳細を以下に記載する。
Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜原料溶液としては以下に示す成分及び含有量のものを用いた。
・ＰｂＯとして １１．５ｗｔ％
・ＺｒＯ2として ５．２ｗｔ％
・ＴｉＯ2として ４．８ｗｔ％
・１−プロパノール ３４．５ｗｔ％
・プロピレングリコール ４４．０ｗｔ％
原料溶液を０．１ｍｌ滴下し、スピンコーター（５００ｒｐｍ×３秒、９０００ ｒｐｍ×１５秒）で均一に塗布した後、乾燥のために空気中で４００℃、５分間加熱した。この薄膜を、結晶化のために空気中で７００℃、１分間焼成して、膜厚１５ｎｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜を得た。この塗布・乾燥・焼成のサイクルを２０回繰り返すことで、膜厚０．３μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜から成る第二のＰＺＴ薄膜５を得た。
・ＺｒＯ2として ５．２ｗｔ％
・ＴｉＯ2として ４．８ｗｔ％
・１−プロパノール ３４．５ｗｔ％
・プロピレングリコール ４４．０ｗｔ％
原料溶液を０．１ｍｌ滴下し、スピンコーター（５００ｒｐｍ×３秒、９０００ ｒｐｍ×１５秒）で均一に塗布した後、乾燥のために空気中で４００℃、５分間加熱した。この薄膜を、結晶化のために空気中で７００℃、１分間焼成して、膜厚１５ｎｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜を得た。この塗布・乾燥・焼成のサイクルを２０回繰り返すことで、膜厚０．３μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜から成る第二のＰＺＴ薄膜５を得た。
以上のような工程で、図３に示す第一のＰＺＴ薄膜４と第二のＰＺＴ薄膜５を合わせた合計膜厚２０μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜ともいう）６を得た。なお、図３は作製した試料の断面構造を示す。
＜比較例＞
次に、従来技術による比較例として、図４に示す断面構造物を作成した。すなわち、Ｐｔ下部電極膜２上にエアロゾルデポジション法でＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜から成るＰＺＴ薄膜７を５０μｍ形成した後に、表面を研削することで、ＰＺＴ薄膜７の厚さを２０μｍにした試料（比較例）も作製した。図４に、ＰＺＴ薄膜７のうち研削で削除した薄膜部分をＰＺＴ薄膜７ａとして、研削後に残った薄膜部分をＰＺＴ薄膜７ｂとして示す。
次に、従来技術による比較例として、図４に示す断面構造物を作成した。すなわち、Ｐｔ下部電極膜２上にエアロゾルデポジション法でＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜から成るＰＺＴ薄膜７を５０μｍ形成した後に、表面を研削することで、ＰＺＴ薄膜７の厚さを２０μｍにした試料（比較例）も作製した。図４に、ＰＺＴ薄膜７のうち研削で削除した薄膜部分をＰＺＴ薄膜７ａとして、研削後に残った薄膜部分をＰＺＴ薄膜７ｂとして示す。
＜評価＞
上記実施例１（図３）と比較例（図４）について、両者の表面平滑度を測定した結果、従来技術（比較例）で作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の表面では、表面の中心平均粗さＲａが４０ｎｍであるのに対して、本発明（実施例１）を用いて作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（第二のＰＺＴ薄膜５）の表面は、表面の中心平均粗さＲａが３０ｎｍであった。すなわち、本発明によれば、研削により表面を平坦化した試料と同レベルの平滑度が得られることが分かった。
上記実施例１（図３）と比較例（図４）について、両者の表面平滑度を測定した結果、従来技術（比較例）で作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の表面では、表面の中心平均粗さＲａが４０ｎｍであるのに対して、本発明（実施例１）を用いて作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（第二のＰＺＴ薄膜５）の表面は、表面の中心平均粗さＲａが３０ｎｍであった。すなわち、本発明によれば、研削により表面を平坦化した試料と同レベルの平滑度が得られることが分かった。
得られたＰＺＴ薄膜の特性評価を目的として、更に、上記第一のＰＺＴ薄膜４と第二のＰＺＴ薄膜５を合わせた厚さ２０μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜６）上に、膜厚０．５μｍのＰｔ上部電極膜８をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成し、これにより上下の電極にＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜６）が挟まれた圧電素子構造を作製した。作製した構造を図５に示す。
比較例（図４）についても、同様にＰＺＴ薄膜７ｂ（研削後に残った薄膜部分）上にＰｔ上部電極膜８（図示せず）を形成し、これにより上下の電極にＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）が挟まれた圧電素子構造を作製した。
次に、これらの圧電素子から、長さ２０ｍｍ幅５ｍｍの短冊形状を切り出し、図６の如く、長手方向の一端をクランプ９で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバー（カンチレバー型小型アクチュエータ）１０を形成した。
この状態で上下の電極２、８を通じて両電極間のＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜６又はＰＺＴ薄膜７ｂ）に電圧を印加すると、そのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜が伸縮することでカンチレバー全体が屈曲動作し、レバー先端が変位する。その変位量を、図６に示す如く、ＣＣＤカメラ３０で観察しながら、干渉計３１、干渉計ユニット３２、復調ユニット３３、オシロスコープ３４を含むレーザードップラ変位計で測定し、この測定した変位量からＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜６又はＰＺＴ薄膜７ｂ）の圧電定数ｄ31を算出した。圧電定数ｄ31の評価方法の概略を図６の上系統に示す。
上記実施例１（図３）及び比較例（図４）から作製した圧電素子について、その圧電定数ｄ31および圧電動作の信頼性（寿命劣化）の測定結果を以下に示す。
本発明（実施例１）を用いて作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（全ＰＺＴ薄膜６）の圧電定数ｄ31は−１１０ｐｍ／Ｖであり、従来技術（比較例）で作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の圧電定数ｄ31は−１００ｐｍ／Ｖであった。すなわち本実施例１のＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜の圧電定数ｄ31の方が、従来技術に較べて高い値を示した。
次に、信頼性（寿命劣化）を評価するため、ユニモルフカンチレバー１０に、ファンクションジェネレータとアンプ回路から成る信号発生器３５から、周波数１０ｋＨｚ、±２０Ｖの電圧を連続的に印加させることで、連続的に長時間圧電動作させて信頼性を確認した。圧電動作信頼性の測定結果を図７に示す。
図７から、従来技術（比較例）で作製したカンチレバー１０は、振幅回数が５０００万回付近から変位量が低下し、約７０００万回で全く動作しなくなったのに対して、本発明（実施例１）を用いて作製したカンチレバー１０は、振幅回数が１億回でも全く変位量が低下していないことが分かる。
次に、第二の実施例として、誘電体薄膜としてのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（膜厚２０μｍ）を他の方法で形成した例について記載する。
図８に示すように、基板１にはＳｉ（１００）基板（２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出した物、厚さ１．０ｍｍ）を用いて、まず、その基板１上にＰｔ下部電極膜２（膜厚０．５μｍ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法によって成膜した。Ｐｔ下部電極膜２の成膜条件は、基板温度３００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、圧力約２．６６６Ｐａ（０．０２Ｔｏｒｒ）で行った。
その後、上記のＰｔ下部電極膜２の付いた基板３上に、エアロゾルデポジション法でＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（擬制層付きＰＺＴ薄膜ともいう）６２を２０．５μｍの厚さに形成した。
このエアロゾルデポジション法によりＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（擬制層付きＰＺＴ薄膜６２）を形成する方法の詳細を以下に記載する。
図２のエアロゾルデポジション成膜装置において、原料微粒子には、粒径が０．１〜２μｍの良好な圧電特性を有するペロブスカイト構造のＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3微粒子を用いた。原料微粒子は２００ｇをエアロゾル室１３にチャージし、搬送用ガスとしてはＨｅガスを用いた。エアロゾル室１３でエアロゾル化した原料を、搬送用のＨｅガスに乗せて、成膜チャンバー１４に搬送し、開口面積（０．３ｍｍ×５ｍｍ）のノズル１５を通すことで高速に加速し、前記基板３に吹き付けた。基板３はノズル１５に対してＸＹステージ１７で連続的に走査することで、基板全面に均一に成膜した。Ｈｅ搬送ガスの流量は１〜５Ｌ／ｍｉｎ、成膜チャンバー内の圧力は約１３３．３２Ｐａ〜２６６６．４Ｐａ（１〜２０Ｔｏｒｒ）の範囲で行った。
次に、上記膜厚２０．５μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（擬制層付きＰＺＴ薄膜６２）の表面を、厚さ０．５μｍだけ、フッ硝酸系のエッチング液でウエットエッチングした。
エッチャントとしては、フッ酸：硝酸：水＝１：１：１００の配合の液を用いた。またエッチングは、室温、攪拌無しの状態で３０秒間行った。これにより、上記膜厚２０．５μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（擬制層付きＰＺＴ薄膜６２）の表面を、厚さ０．５μｍだけウエットエッチングして除去した。図８中に、擬制層付きＰＺＴ薄膜６２からエッチングで除去した薄膜部分をＰＺＴ薄膜６１として、またエッチングで残った薄膜部分をＰＺＴ薄膜６０として示す。
以上のような工程で、膜厚２０μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０）を得た。作製した試料（実施例２）の断面構造を図８に示す。
また、従来技術との比較のために、図４の如く、Ｐｔ下部電極膜２上にエアロゾルデポジション法でＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７）を５０μｍ形成した後に、表面を研削することで、Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の厚さを２０μｍにした試料（比較例）も作製した。作製した試料（比較例）の断面構造を図４に示す。
実施例２（図８）と比較例（図４）について、両者の表面平滑度を測定した結果、従来技術（比較例）で作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の表面では、表面の中心平均粗さＲａが４０ｎｍであるのに対して、本発明（実施例２）を用いて作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０）の表面は、表面の中心平均粗さＲａが２０ｎｍであり、本発明により、表面を研削した試料と同レベルの平滑度が得られることが分かった。
更に、図５に示すように、上記厚さ２０μｍのＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０）上に、膜厚０．５μｍのＰｔ上部電極膜８をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成することで、上下の電極２、８にＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０）が挟まれた圧電素子構造を作製した。同様に、図４の比較例についても、そのＰＺＴ薄膜７ｂ上にＰｔ上部電極膜８を形成して、図５と同様の圧電素子構造を作製した。
次に、これらの圧電素子から、長さ２０ｍｍ幅５ｍｍの短冊形状を切り出し、図６に示すように、長手方向の一端をクランプ９で固定することで、簡易的なユニモルフカンチレバー１０を形成した。この状態で上下の電極を通して、両電極間のＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０又は７ｂ）に電圧を印加すると、Ｐｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０又は７ｂ）が伸縮することでカンチレバー全体が屈曲動作し、レバー先端が変位する。その変位量をレーザードップラ変位計（図６参照）で測定し、変位量からＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜の圧電定数ｄ31を算出した。圧電定数ｄ31評価方法の概略図を図６に示す。
実施例２（図８）と比較例（図４）について、その圧電定数ｄ31および圧電動作の信頼性（寿命劣化）の測定結果を以下に示す。
本発明（実施例２）を用いて作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜６０）の圧電定数ｄ31は−１１０ｐｍ／Ｖで、従来技術（比較例）で作製したＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47） Ｏ3圧電薄膜（ＰＺＴ薄膜７ｂ）の圧電定数ｄ31は−１００ｐｍ／Ｖであった。
また、こられのユニモルフカンチレバー１０に周波数１０ｋＨｚ、±２０Ｖの電圧を連続的に印加させることで、連続的に長時間圧電動作させて信頼性を確認した。圧電動作信頼性の測定結果を図９に示す。従来技術（比較例）で作製したカンチレバー１０は、振幅回数が５０００万回付近から変位量が低下し、約７０００万回で全く動作しなくなったのに対して、本発明（実施例２）を用いて作製したカンチレバー１０は、振幅回数が１億回でも全く変位量が低下していないことが分かる。
＜他の実施例、変形例＞
上記実施例では、基材たる基板の全面に誘電体薄膜を形成した例について記載したが、本発明は、基材の一部分のみに誘電体薄膜が形成された構造への適用も可能である。
上記実施例では、基材たる基板の全面に誘電体薄膜を形成した例について記載したが、本発明は、基材の一部分のみに誘電体薄膜が形成された構造への適用も可能である。
１ 基板
２ 下部電極膜
２ａ 下部電極膜
４ 第一のＰＺＴ薄膜（第一の誘電体薄膜）
３ 基板
５ 第二のＰＺＴ薄膜（第二の誘電体薄膜）
６ 全ＰＺＴ薄膜
７、７ａ、７ｂ ＰＺＴ薄膜
８ 上部電極膜
１３ エアロゾル室
１４ 成膜チャンバー
１５ ノズル
１６ 基板ホルダー
１７ ＸＹステージ
１９ 排気ポンプ
２０ ヒータ
６０、６１ ＰＺＴ薄膜
６２ 擬制層付きＰＺＴ薄膜
２ 下部電極膜
２ａ 下部電極膜
４ 第一のＰＺＴ薄膜（第一の誘電体薄膜）
３ 基板
５ 第二のＰＺＴ薄膜（第二の誘電体薄膜）
６ 全ＰＺＴ薄膜
７、７ａ、７ｂ ＰＺＴ薄膜
８ 上部電極膜
１３ エアロゾル室
１４ 成膜チャンバー
１５ ノズル
１６ 基板ホルダー
１７ ＸＹステージ
１９ 排気ポンプ
２０ ヒータ
６０、６１ ＰＺＴ薄膜
６２ 擬制層付きＰＺＴ薄膜
Claims (7)
- 基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、
その第一の誘電体薄膜上に、化学溶液法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、
その第一の誘電体薄膜上に、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、水熱合成法のいずれかの方法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 基材上に、エアロゾルデポジション法で第一の誘電体薄膜を形成する工程と、
その第一の誘電体薄膜上にドクターブレード法で第二の誘電体薄膜を形成する工程を有することを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 基材上に、エアロゾルデポジション法で誘電体薄膜を形成する工程と、
その誘電体薄膜の表面をウエットエッチングすることによって、平滑度を向上させた表面を現出させる工程を有することを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体薄膜の製造方法において、
最終的な誘電体薄膜の表面の中心平均粗さＲａが５０ｎｍ以下であることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の誘電体薄膜の製造方法において、
エアロゾルデポジション法で形成する誘電体薄膜が、ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜であることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。 - 請求項６記載の誘電体薄膜の製造方法において、
上記ペロブスカイト構造を有する誘電体薄膜が、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ａ・ＡＮｂＯ3（Ａ＝アルカリ金属のカリウム、ナトリウム、リチウム、またはそれらの組み合わせ）のうちのいずれかからなることを特徴とする誘電体薄膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005077170A JP2006257501A (ja) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | 誘電体薄膜の製造方法 |
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| JP2005077170A JP2006257501A (ja) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | 誘電体薄膜の製造方法 |
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|---|---|
| JP2006257501A true JP2006257501A (ja) | 2006-09-28 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2006257501A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010021473A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 配線基板の製造方法 |
| LT5900B (lt) | 2011-06-16 | 2013-02-25 | Uab "Precizika - Met Sc" | Būdas nuimti sixny ploną sluoksnį nuo si paviršiaus nepažeidžiant p/n legiruoto si sluoksnio |
-
2005
- 2005-03-17 JP JP2005077170A patent/JP2006257501A/ja active Pending
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| LT5900B (lt) | 2011-06-16 | 2013-02-25 | Uab "Precizika - Met Sc" | Būdas nuimti sixny ploną sluoksnį nuo si paviršiaus nepažeidžiant p/n legiruoto si sluoksnio |
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