JPH04371568A - 圧電・強導電体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電・強導電体薄膜に関
し、特にアクチュエータ、メモリ、圧電フィルタ、光シ
ャッタなどの高機能デバイスに用いられる圧電・強導電
体薄膜の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の分野における圧電・強導電体
の応用としては、従来、圧電素子、メモリ、赤外線検出
素子など多くの利用分野があり、また近年の電子部品の
小形化への要請から圧電・強導電体素子の薄膜化技術が
進みつつある。

【０００３】圧電・強導電体材料の内でも、ＰＺＴと呼
ばれているジルコン・チタン酸鉛系セラミックスは、そ
の圧電現象を利用して機械振動子として従来広く使用さ
れている。このジルコン・チタン酸鉛系圧電・強導電体
は、ＰｂＺｒＯ３　とＰｂＴｉＯ３　との固溶体からな
るものである。また、このＰｂを一部Ｌｎで置換したＰ
ＬＺＴと呼ばれているものは、その電気光学効果が注目
を集めている。これらのＰＺＴやＰＬＺＴ系圧電・強導
電体の構成ならびに成膜技術としては、従来様々な方法
が提案されている（例えば特開昭６０−１７２１０３号
、特開昭６０−１７５３０８号、特開昭６２−２０５２
６６号、特開昭６２−２５２００５号、特開昭６２−２
５２００６号、特開昭６３−５３２６４号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】スパッタリング法を用
いて圧電・強導電体を成膜するためには、スパッタリン
グ雰囲気をＯ２　含有雰囲気とし、しかも基板温度を通
常６００℃程度の比較的高温条件下に設定する必要があ
る。これは形成膜に酸素欠陥が生じるのを防止し、薄膜
の結晶構造をペロブスカイトもしくは菱面体構造にする
ための必須の条件であると考えられていた。

【０００５】しかしながら、上記のような方法でジルコ
ン・チタン酸鉛系薄膜を形成させる場合、基板を比較的
高温に加熱する必要があり、このため基板上の温度分布
等の制御が必ずしも容易でなく、さらに得られる膜の特
性、形態においても十分に満足のいくものではない。

【０００６】本発明はこの様な点に鑑みてなされたもの
であり、熱負荷の低減化が図られた効率的で制御性の良
い膜形成が可能であり、しかも膜特性の向上化が図られ
た圧電・強導電体薄膜の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電・強導
電体薄膜の製造方法は、ジルコン・チタン酸鉛からなる
圧電・強導電体薄膜を製造するにあたり、ジルコン・チ
タン酸鉛を主成分とし、かつ、Ｐｂ成分が製造対象物で
ある圧電・強導電体薄膜の組成中のＰｂ成分の化学量論
量に対して過剰に存在する焼結体をターゲットとして用
いて、不活性ガス雰囲気中において基板温度３００℃以
下の比較的低温下でスパッタリング成膜し、次いで、こ
のようにして成膜された形成膜に対して、Ｏ２　もしく
はＯ２　含有ガス雰囲気中において熱処理を施すことに
よって圧電・強導電体薄膜を得ることを特徴とするもの
である。

【０００８】本発明においては、基板温度３００℃以下
、さらには１５０℃以下、さらには室温においてスパッ
タリング成膜を行うことができ、したがって従来の高温
スパッタリング成膜に比べて生産性の向上を図ることが
でき、成膜制御の容易化と共に膜特性の向上においても
優れた効果を奏する。

【０００９】さらに本発明の方法によれば、成膜後の熱
処理温度を、例えば従来の反応性スパッタリング法によ
る成膜の場合に比して比較的低温領域において行うこと
ができるので、形成膜の残留応力をさらに低減し、クラ
ック発生を防止することができると共に熱処理前後の膜
組成のずれを少なくすることができ、膜の組成制御も容
易化することができる。

【００１０】また、本発明の方法によれば、成膜工程に
おいて実質的に不活性ガスからなる雰囲気を用いている
ので、反応性スパッタリング法に比して成膜速度を向上
させることができ、形成膜の圧膜化においてもすこぶる
有利である。

【００１１】以下、本発明をさらに詳細に説明する。

【００１２】本発明によるほほにおいては。基板上への
ジルコン・チタン酸鉛薄膜の形成をスパッタリング法に
より行う。

【００１３】スパッタリング法としては、ＲＦ（高周波
）スパッタリングが特に好ましく用いられる。また、こ
の場合に使用するターゲットとしては、特に限定される
ものではなく、通常圧電・強導電体薄膜の形成に用いら
れる所定組成のＰＺＴ焼結体が用いられ得るが、本発明
においては、ジルコン・チタン酸鉛を主成分とし、かつ
、Ｐｂ成分が製造対象物である圧電・強導電体薄膜の組
成中のＰｂ成分の化学量論量に対して過剰に存在する焼
結体をターゲットとして用いることが好ましい。このよ
うに過剰量のＰｂを含有させることによって、スパッタ
リング時および熱処理時におけるＰｂの蒸発による膜組
成の化学量論量からのずれを補償することができる。

【００１４】本発明におけるスパッタリング成膜におけ
る雰囲気としては、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅなどの不活性ガス
が用いられる。この場合、酸素が含有されていることは
必要ではないが、微量の酸素、例えば分圧で８％以下の
酸素を含有していても良い。雰囲気中における上記不活
性ガスの圧力としては５×１０４　〜３×１０２　Ｔｏ
ｒｒの範囲が好ましく、さらに好ましくは１×１０−３
〜１×１０２　Ｔｏｒｒである。

【００１５】このように、実質的に不活性ガスのみを導
入ガスとしてスパッタリングすることによって、成膜速
度を向上させることができ、さらに次工程である熱処理
の温度を相対的に低くすることができるため、生産性の
向上や熱負荷の低減化、ならびに膜組成の制御性の点に
おいても有効である。

【００１６】本発明の方法によれば、スパッタリング成
膜の際の基板温度を比較的低温度に設定することができ
、基板温度を３００℃以下、さらに好ましくは約１５０
℃以下の温度に設定することができる。さらには、所望
により室温条件下においてもスパッタリング成膜を行う
ことができる。

【００１７】上記のような成膜条件によれば、クラック
のない圧電・強導電体薄膜を迅速に形成することができ
る。また成膜速度が向上するので、１０μｍ程度の比較
的厚い膜の形成も容易である。

【００１８】上記のようにしてスパッタリング成膜され
た膜に対してＯ２　もしくはＯ２　含有ガス雰囲気中に
おいて熱処理を施すことによって形成膜がペロプスカイ
トもしくは菱面体構造の圧電・強導電体薄膜を得る。こ
の場合の熱処理温度は特に限定されるものではないが、
４５０〜５００℃程度の条件においても十分良好な圧電
・強導電体薄膜を得ることができる。通常、この熱処理
温度は６００℃程度が好ましいとされている。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）下記の条件により基板上にジルコン・チタ
ン酸鉛系薄膜を形成した。 スパッタリング成膜 （１）基板 基板としては、（１００）Ｓｉ、ならびに（１００）Ｓ
ｉ上に蒸着法によって膜厚２００ｍｎの厚さにＰｔを形
成したもの（以下Ｐｔ／（１００）Ｓｉと記す）を各々
用いた。 （２）ターゲット ターゲットとしては、下記組成の焼結体ターゲットを用
いた。

【００２０】ＰｂＺｒ０．５５Ｔｉ０．４５Ｏ３　：Ｐ
ｂＯ＝９０：１０（重量％） （３）スパッタリング成膜条件 スパッタリング法：ＲＦ（高周波）スパッタリング法Ｒ
Ｆ投入電力：２００Ｗ ターゲット−基板間距離：４０ｍｍ ＰＺＴ膜厚：１μｍ 基板温度：下記表中に表示 雰囲気条件：下記表中に表示 熱処理条件 加熱温度：下記表中に表示 処理時間：昇温および降温を各３時間、所定加熱温度で
１０時間保持 熱処理雰囲気：Ｏ２　 圧力：１気圧 上記の成膜条件ならびに熱処理条件に従って、本発明の
実施例ならびに比較例についてジルコン・チタン酸鉛薄
膜を形成し、膜特性として、形成膜に発生するクラック
の有無を調べた。結果を下記表１に示す。

【００２１】

【表１】 次に、形成膜成分中のＰＺＴ成分の比率をＸ線回析（Ｘ
ＲＤ）測定結果から見積もった。その結果を下記表２に
示す。

【００２２】

【表２】 上記表（右欄）において、ＰＺＴ成分比率は、下記式に
従って求めた値を「％」で表したものである。この場合
の回析角は２０〜６０°、基板からの回析ピーク波形（
即ち、ＳｉおよびＰｔのピーク波形）は除いて計算した
。

【００２３】 次に、目的組成に対する成膜組成の変動状態を調べるた
めに、Ｘ線マイクロアナライザー（ＸＭＡ）により、形
成膜成分中におけるＰｂの組成比率を測定した。結果を
下記表３に示す。

【００２４】

【表３】 上記表（右欄）において、Ｐｂの組成比率は、Ｐｂ＋Ｚ
ｒ＋Ｔｉ＝１００％としたときの原子数％として計算し
た。なお、Ｚｒ／Ｔｉ比は５７／４３程度であり、これ
については熱処理依存性は認められなかった。

【００２５】以上のように、本発明の製造方法を用いて
Ａｒガス５ｍｔｏｒｒ中でスパッタリングしたものは、
５００℃程度の比較的低温の熱処理においても膜中のＰ
ＺＴ成分比率が１００％かそれに近く、また形成膜にク
ラックも入らない。加えて、７００℃程度の熱処理にお
いても前後で形成膜の組成変動が認められないという、
予想外の効果も発現した。 （実施例２） （１００）Ｓｉ基板上にターゲットに化学式ＰｂＺｒ０
．５５Ｔｉ０．４５Ｏ３　で表される焼結体を用い、Ｒ
Ｆスパッタリング法で、投入電力２００Ｗ、ターゲット
−基板間距離６０ｍｍ、基板温度室温、Ａｒ７ｍｔｏｒ
ｒの雰囲気で１μｍの膜厚に成膜し、４５０℃１０時間
（昇温および降温は各３時間）Ｏ２　１気圧の条件で熱
処理を行った。形成膜にクラックは認められず、また（
実施例１）中に記す式に従って見積もった形成膜中のＰ
ＺＴ成分比率はほぼ１００％であった。 （実施例３） （実施例２）に示す製造条件において、ターゲットに化
学式ＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５　Ｏ３　：ＰｂＯ＝９０
：１０（重量％）で表される焼結体を用い、同様の実験
を行った。結果も同様で、形成膜にクラックは認められ
ず、形成膜中のＰＺＴ成分比率もほぼ１００％であった
。

【００２６】以上のように本発明の製造方法を用いるこ
とにより、４５０℃程度の比較的低温の熱処理において
も良好な圧電・強導電体薄膜を得ることができた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
を用いることにより、スパッタリング成膜時の基板温度
および熱処理温度の低温化が実現され、付随的に成膜速
度も向上し、熱負荷を低減した効率的な圧電・強導電体
薄膜の製造が可能となり、生産性が向上した。また、形
成した膜の特性も、クラックの発生がなく、熱処理前後
の膜組成の変動のない良好なものを得ることができた。

【００２８】なお、本発明の圧電・強導電体薄膜の製造
方法は、以上の実施例に限定されることなく、広く応用
が可能であり、アクチュエータ、メモリ、圧電フィルタ
、光シャッタなどに用いられる、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなど
のジルコン・チタン酸鉛化合物薄膜全般に適用される。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ジルコン・チタン酸鉛からなる圧電・強導
   電体薄膜を製造するにあたり、ジルコン・チタン酸鉛を
   主成分とし、かつ、Ｐｂ成分が製造対象物である圧電・
   強導電体薄膜の組成中のＰｂ成分の化学量論量に対して
   過剰に存在する焼結体をターゲットとして用いて、不活
   性ガス雰囲気中において基板温度３００℃以下の比較的
   低温条件下でスパッタリング成膜し、次いで、このよう
   にして成膜された形成膜に対して、Ｏ２　もしくはＯ２
   　含有ガス雰囲気中において熱処理を施すことによって
   圧電・強導電体薄膜を得ることを特徴とする、圧電・強
   導電体薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】前記基板温度を１５０℃以下に設定する、
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】前記不活性ガスがＡｒである、請求項１に
   記載の方法。