JPH021231B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面弾性波素子等の圧電素子に用いら
れる酸化亜鉛圧電薄膜の製造方法に関するもので
あり、従来のスパツタリング法を基本とし、均一
な膜厚を有し、良好な結晶性及び圧電特性を示す
酸化亜鉛圧電薄膜を得ることを目的とする。

酸化亜鉛圧電薄膜の製造方法として、従来、ス
パツタリング法が主として採用されてきた。スパ
ツタリング法の方式としては、通常のスパツタリ
ング法の他に、マグネトロン・スパツタリング法
が知られている。マグネトロン・スパツタリング
法は第１図ａ，ｂに示されたように、蒸着原料物
質からなるターゲツト板１の裏側に磁石２〔外側
磁石２Ａ及び中心磁石２Ｂよりなる。〕を配置し
てなるマグネトロン・ターゲツト３の表面付近
に、該表面に沿う磁界４を印加し、この部分に放
電プラズマを集中させることにより、効率的にス
パツタリング蒸着を行なう点に特徴を有してい
る。しかしこの方法では、スパツタリング蒸発の
生ずる領域が磁界４の印加されているリング状領
域に集中しているため、基板５に形成される蒸着
膜は、第２図に示されたように、その膜厚が不均
一なものとなるのを避けられなかつた。酸化亜鉛
圧電薄膜を用いた表面弾性波素子等の圧電素子等
においては、その特性、たとえば共振周波数が薄
膜の肉厚によつて大幅に変化するので、均一な特
性を持つた素子を量産するためには、膜厚の極め
て均一な薄膜を得ることが不可欠である。したが
つて前述した従来のマグネトロン・スパツタリン
グ法は、酸化亜鉛圧電薄膜の製造方法としては重
大な欠点を有するものであるといえる。また、酸
化亜鉛圧電薄膜は形成条件によつてその結晶性が
変化し、圧電性が低下し易い傾向を有している。
この点においても、従来のマグネトロン・スパツ
タリング法では、形成条件が基板上の領域により
異なるために部分的に結晶性、圧電性が低下し易
いという欠点を示した。

本発明は、以上のような欠点を改善するために
なされたもので、それによれば、均一な膜厚を有
し、しかも良好な結晶性、圧電性を示す酸化亜鉛
圧電薄膜を得ることができる。また本発明によれ
ば、従来知られていなかつた好適な諸条件の下
で、酸化亜鉛圧電薄膜を得ることができる。

以下本発明をその実施例を用いて説明する。

第３図ａ，ｂは本発明に係る酸化亜鉛圧電薄膜
の製造方法において使用される装置の一例を示
し、１１はマグナトロン・ターゲツト、１２はそ
の上部に配置された基板、１３は両者間の空間１
４に設置されたリング状の遮蔽体である。マグネ
トロン・ターゲツト１１は平板状のターゲツト板
１５の裏側に磁石１６を配置してなり、この磁石
１６の中心磁極１６Ｂと外側磁極１６Ａとの間
に、前記ターゲツト板１５の表面に沿う磁界１７
が形成される。基板１２及び遮蔽体１３はマグネ
トロン・ターーゲツト１１の表面に対して平行に
配置され、かつ遮蔽体１３はマグネトロン・ター
ゲツト１１に対し同一軸線上に配置される。この
状態で磁界１７の部分に集中プラズマを集中させ
ることによつてマグネトロン・ターゲツト１１か
ら粒子をスパツタリング蒸発させると、この粒子
が部分的に遮蔽板１３に遮蔽された条件下で基板
１２の全面に蒸着し、酸化亜鉛圧電薄膜が得られ
る。こうして得られる酸化亜鉛圧電薄膜は、基板
全面に亘つて均一な膜厚を有し、しかも良好な結
晶性、圧電性を示すことが判明した。そしてこの
ような優れた酸化亜鉛圧電薄膜の性質及び膜厚の
均一性は、マグネトロン・ターゲツト１１の大き
さ・構造や、マグネトロン・ターゲツト１１と基
板１２との間隔に応じた遮蔽板１３の大きさ及び
その設置位置を適当に選定することにより一層向
上するものであることを見出した。たとえば、タ
ーゲツト板１５及び磁石１６の外径が100mm、外
側磁極１６Ａの内径が80mm、中心磁極１６Ｂの外
径が20mm、マグネトロン・ターゲツト１１と基板
１２との間隔が30mmの場合には、遮蔽板１３の外
径を52mm、同内径を40mmとし、これをマグネトロ
ン・ターゲツト１１の表面より20mmの位置に配置
するのが最も適切である。この条件で外径100mm
に基板１２上に作成された酸化亜鉛圧電薄膜の基
板面内、径方向の膜厚分布が第４図に示される。
第４図に表された膜厚分布と従来方法による場合
の第２図に示された膜厚分布とを比較すると、従
来方法では約15％あつた膜厚のばらつきが、本実
施例方法では約４％に減少している。また本実施
例方法では、基板１２の中央付近の膜厚が極めて
均一であるため、その周辺部10mmを除くとそのば
らつきが１％以下となり、非常に少なくなる。さ
らに、膜厚の均一化に伴ない、薄膜の結晶性、圧
電性も均一でかつ良好なものとなり、その結果、
１枚の基板１２から一定の良好な特性を有する素
子を多量に得ることが可能となる。

第５図ａ，ｂは本発明に係る酸化亜鉛圧電薄膜
の製造方法において使用される装置の他の例を示
す。この例の場合、遮蔽体１３Ａを円板状とし
て、これをマグネトロン・ターゲツト１１におけ
る磁石１６の外側磁極１６Ａと中心磁極１６Ｂと
の中間部付近の上方に配置し、この遮蔽体１３Ａ
を、マグネトロン・ターゲツト１１の中心軸線を
回転軸として回転させるか、あるいは遮蔽体１３
Ａを固定して基板１２Ａをマグネトロン・ターゲ
ツト１１の中心軸線を回転軸として回転させつ
つ、スパツタリング蒸着を行なわせる。他の条件
は第３図ａ，ｂについて説明したものと同一であ
る。かかる方法による場合においても、遮蔽体１
３Ａの大きさ及び設置位置を適当に選定すること
が望ましい。マグネトロン・ターゲツト１１の大
きさ及び構造・マグネトロン・ターゲツト１１と
基板１２Ａとの間隙が前述したものと同一である
場合、この方法においては、遮蔽体１３Ａの直径
を10mm、マグネトロン・ターゲツト１１と遮蔽体
１３Ａとの中心軸線間の距離を20mm、マグネトロ
ン・ターゲツト１１の表面と遮蔽体１３Ａとの間
の距離を20mmとするのが最も適切である。この条
件によれば、前述の場合と同様に、基板１２Ａの
全面に亘つて均一な膜厚を有し、かつ良好な結晶
性、圧電性を示す酸化亜鉛圧電薄膜が得られた。

以上説明したものはいずれも、平板状のマグネ
トロン・ターゲツト１１を使用し、基板１２Ａを
マグネトロン・ターゲツト１１の表面に平行に配
置したものであるが、これ以外の条件、すなわち
円柱状あるいは半球状のマグネトロン・ターゲツ
トを使用した場合や、基板がマグネトロン×ター
ゲツトの表面に対して平行に配置されていない場
合にも、遮蔽体の形状、大きさ、配置を適当に選
定することにより同様の効果を得ることができ
る。

次に、本発明において良好な結晶性、圧電性を
有する酸化亜鉛電薄膜を得るのに必要なスパツタ
リング条件、すなわちマグネトロン・ターゲツト
のターゲツト材料、基板材料、基板温度、酸化亜
鉛薄膜の形成速度、ガス圧等の諸条件につき、
種々調査した結果を説明する。

酸化亜鉛圧電薄膜はその圧電性を有効に利用す
るため、高い電気抵抗を有していることが必要で
ある。一般に酸化亜鉛は酸素の不足によつて電気
抵抗が低下し易い性質を持つている。しかし本発
明者らは、本発明方法においてターゲツト材料と
してリチウムを含む酸化亜鉛または亜鉛を用いる
ことにより、電気抵抗の高い酸化亜鉛圧電薄膜が
得られることを見出した。この場合、リチウムの
含有量は0.1〜５モル％が適当である。リチウム
含有量をこの範囲に限定したのは、0.1モル％以
下の場合は添加効果が不充分であり、５モル％以
上の場合は、得れた酸化亜鉛薄膜の結晶性、圧電
性が劣化したり、表面が荒れた状態になるため、
不適当だからである。

酸化亜鉛を被着すべき基板としては、サフアイ
ア（α―アルミナの単結晶）あるいは被蒸着面の
一部または全部が珪素、二酸化珪素、各種のガラ
スまたは金属あるいはこれらの組合せからなるも
のが適している。組合めからなるものの例とし
て、表面の一部が金属膜で覆われたガラス板等が
掲げられる。たとえば基板材料としてサフアイア
を用いた場合は、その表面の結晶面（被蒸着面）
を（0001）面または（01１２）面あるいはこれら
と結晶学的に等価な面〔たとえば〔01１２）面に
に対して（１１02）面など。〕に選べば、単結晶
の酸化亜鉛圧電薄膜が得られる。この場合には、、
酸化亜鉛圧電薄膜中の欠陥や膜表面の凹凸が極め
て少ないため弾性波の損失が高周波領域において
も少なく、したがつて高周波表面弾性波素子等の
材料として優れたものとなる。前記した基板材料
のうち、サフアイア以外の材料の場合は、Ｃ軸配
向性すなわち〔0001〕軸が基板に垂直な方向に揃
つた多結晶の酸化亜鉛圧電薄膜が得られる。この
場合も特に高い周波数領域でない限り、充分に実
用し得る良好な薄膜が得られる。

本発明者らはさらに、良好な酸化亜鉛圧電薄膜
を得るのに必要な基板温度と酸化亜鉛薄膜の形成
速度との間の条件につき詳細な調査を行なつた。

次にその点につき説明する。

第６図は、基板としてサフアイアを用いた場合
における前記条件を示している。この図において
横軸は絶対温度で表わした基板温度の逆数、縦軸
は酸化亜鉛薄膜の形成速度（対数目盛）を示す。
図中斜線を付した領域、すなわち基板温度Ｔ（℃）
が100〜600でかつ形成速度Ｒ（μm／ｈ）が基板温
度Ｔに対し、 Ｒ＜112×exp〔−1500／（Ｔ＋273）〕 なる関係を満たす領域で、サフアイア基板上にス
パツタリング蒸着を行なつた場合、良好な単結晶
の酸化亜鉛圧電薄膜が得られる。基板温度Ｔが
100℃以下または形成速度Ｒが、 Ｒ＞112×exp〔−1500／（Ｔ＋273）〕 の場合は、配向性の乱れた多結晶の膜が形成さ
れ、良好な圧電性を得ることができない。また基
板温度Ｔが600℃以上の場合は、異常な結晶粒成
長が生じ、表面の凹凸が激しくなり、使用に耐え
得ない。なお良好な単結晶膜を得るための形成速
度Ｒの下限は特に存在しないが、必要な膜厚を得
るための時間を短くするため、形成速度Ｒは前述
の範囲内でなるべく速くする方が望ましい。

第７図は、基板表面が珪素、二酸化珪素、各種
のガラスまたは金属からなる場合における良好な
酸化亜鉛圧電薄膜を得るのに必要な基板温度Ｔと
酸化亜鉛圧電薄膜の形成速度との間の条件を示し
ている。横軸及び縦軸は第６図におけるのと同一
要素を表わしている。図中斜線を付した領域、す
なわち基板温度Ｔ（℃）が100〜600でかつ形成速
度Ｒ（μm／ｈ）が基板温度Ｔに対し、 Ｒ＜167×exp〔−1050／（Ｔ＋273）〕 なる関係を満たす領域で前記材料からなる基板上
にスパツタリング蒸着を行なつた場合、良好なＣ
軸配向性、圧電性を示す酸化悪鉛薄膜が得られ
る。この領域外で得られた膜は、前述のサフアイ
ア基板の場合と同様の性質を示し、使用に耐え得
ない。形成速度Ｒの下限についても前述のサフア
イア基板の場合と同様である。

次に良好な酸化亜鉛圧電薄膜を得るのに必要な
スパツタリング時の雰囲気ガスの条件について述
べる。

ガス組成は、アルルゴンと酸素とを混合比0.5
〜20（アルゴン／酸素）で混合したものが適当で
ある。混合比が0.5以下の場合は、形成速度Ｒが
著しく低下し、不適当である。また混合比が20以
上の場合は、酸素不足のため得られた膜の比抵抗
が低下し、不適当である。そして前記混合ガスの
圧力は、１×10^-3〜１×10^-1（Torr）とするのが
適当である。この範囲外では、得られた膜の結晶
性が悪く、不適当である。

以上説明したように、本発明方法によれば、従
来方法では得られなかつた均一な膜厚を有し、良
好な結晶性と圧電性とを示す酸化亜鉛圧電薄膜を
製造することができる。本発明方法により製造さ
れた酸化亜鉛圧電薄膜を用いることにより、均一
で良好な特性を有する表面弾性波素子等の圧電素
子を大量に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法において用いられるスパツタ
リング装置を示し、同図ａは上面図、同図ｂは側
面図、第２図は従来方法により得られた酸化亜鉛
圧電薄膜の膜厚分布図である。第３図は本発明方
法において用いられるスパツタリング装置を示
し、同図ａは上面図、同図ｂは側面図、第４図は
本発明方法により得られた酸化亜鉛圧電薄膜の膜
厚分布図、第５図は本発明方法において用いられ
る他のスパツタリング装置を示し、同図ａは上面
図、同図ｂは側面図である。第６図、及び第７図
は、本発明方法においてサフアイア基板、及び珪
素、二酸化珪素、ガラス、金属からなる基板を用
いた場合に、良好な酸化亜鉛圧電薄膜を得るに必
要な基板温度と薄膜形成速度との間の条件をそれ
ぞれ示すグラフ図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マグネトロン・ターゲツトと該マグネトロ
   ン・ターゲツトに対向して配置された酸化亜鉛圧
   電薄膜を被着すべき基板との間の空間に、該空間
   の一部を遮蔽する遮蔽体を設置した状態で、前記
   マグネトロン・ターゲツトからスパツタリング蒸
   発させた粒子を前記基板にスパツタリング蒸着す
   ることを特徴とする酸化亜鉛圧電薄膜の製造方
   法。 ２ マグネトロン・ターゲツト及び遮蔽体を固定
   し、基板を移動させることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の酸化亜鉛圧電薄膜の製造方
   法。 ３ マグネトロン・ターゲツト及び基板を固定
   し、遮蔽体を移動させることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の酸化亜鉛圧電薄膜の製造方
   法。 ４ 平板状のマグネトロン・ターゲツトを用いる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項
   のいずれかに記載の酸化亜鉛圧電薄膜の製造方
   法。 ５ 被スパツタリング面が、リチウムを0.1〜５
   モル％含む酸化亜鉛または亜鉛からなるマグネト
   ロン・ターゲツトを用いることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の酸
   化亜鉛圧電薄膜の製造方法。 ６ 基板をα―アルミナの単結晶とすると共に、
   その被蒸着面を（0001）面または（01１２）面あ
   るいはこれらと結晶学的に等価な結晶面に選び、
   基板温度Ｔ（℃）を100〜600に保持し、酸化亜鉛
   圧電薄膜の形成速度Ｒ（μm／ｈ）を前記基板温度
   Ｔに対し、 Ｒ＜112×exp〔−1500／（Ｔ＋273）〕 なる関係に保ち、全圧（Torr）が１×10^-3〜１
   ×10^-1を示すアルゴンと酸素との混合雰囲気中で
   これらの混合比（アルゴン／酸素）を0.5〜20に
   保持してスパツタリング蒸着することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記
   載の酸化亜鉛圧電薄膜の製造方法。 ８ 被蒸着面の一部または全部が珪素、二酸化珪
   素、ガラスまたは金属あるいはこれらの組合せの
   いずれかからなる基板上に、該基板温度Ｔ（℃）
   を100〜600に保持し、酸化亜鉛圧電薄膜の形成速
   度Ｒ（μm／ｈ）を前記基板温度Ｔに対し、 Ｒ＜167×exp〔−1050／（Ｔ＋273）〕 なる関係に保ち、全圧（Torr）が１×10^-3〜１
   ×10^-1を示すアルゴンと酸素との混合雰囲気中で
   これらの混合比（アルゴン／酸素）を0.5〜20に
   保持してスパツタリング蒸着することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記
   載の酸化亜鉛圧電薄膜の製造方法。