JP2012519378A - スパッタされた圧電材料 - Google Patents

Abstract

Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、ｘ＞−０．０２且つｙ＞０）の組成を有する圧電アクチュエータが記載される。この圧電材料は、アクチュエータにバイアスを印加した際に良好な屈曲作用を呈することができるペロブスカイトを有しうる。

Description

本発明は、圧電材料の形成に関する。

圧電材料に機械的応力を加えると電位差を発生させることができる。一方、圧電材料に電圧を印加すると逆圧電効果を生じさせることができる、すなわち電圧を印加すると圧電材料は機械的に変形する。逆圧電効果は圧電材料に極めて高い屈曲力を生じさせることができる。これらの特性すなわち圧電及び逆圧電効果はいずれも、トランスデューサ、例えば、アクチュエータやセンサー等の電気及び機械装置に利用されている。複数のトランスデューサを微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）中で組み合わせて使用（アクチュエータ及びセンサーの組合せ等）することができる。

チタン酸ジルコン酸鉛（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ）等の圧電材料は強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）の形成にも使用することができる。圧電材料は、アクチュエータ用又はＦＲＡＭ用のいずれであっても、ゾルゲル、セラミックグリーンシート、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）形成層、又は圧電材料の仮焼塊から得ることができる。しかしながら、各方法により形成することができる圧電材料の品質及び組成は異なっている。例えば、ゾルゲル形成技法で厚肉の圧電材料を形成するためには多数の別個の薄層が必要となり得る。ゾルゲル形成はまた、最終材料にバインダーを残存させる可能性もある。ＭＯＣＶＤは典型的には圧電材料の薄層を形成するので、堆積速度が非常に遅くなる可能性がある。

一実施形態においては、圧電材料は、Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、ｘ＞−０．０２且つｙ＞０）の物体を含む。

さらなる他の実施形態においては、セラミック体を含むセラミックターゲットは、Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、−０．１≦ｘ≦０．３０且つ０＜ｙ≦０．２）の組成を有する。

圧電材料を形成する方法について説明する。セラミックターゲットにバイアスを印加する。ターゲットはチャンバ内に装入されている。チャンバ内の支持体を４５０℃超に加熱する。被堆積面は支持体上に支持されている。不活性及び反応性ガスをチャンバ内に導入してセラミックターゲットからのセラミック材料を被堆積面に堆積させることにより圧電材料が形成される。

本明細書に記載されるデバイスの実施には、以下の特徴のうちの一つ又はそれ以上を包含してもよい。圧電材料の場合は、−０．０１≦ｘ≦０．１５且つ０＜ｙ≦０．１５（０≦ｘ≦０．０５且つ０．０８＜ｙ≦０．１３等）とすることが可能である。この材料はペロブスカイト型結晶構造を有することができる。ｙは約０．１であってもよい。圧電積層体は、圧電材料と、この材料の第１面上の第１電極及び第２面上の第２電極とを含む。第１電極は、圧電材料に直接隣接した導電性酸化物を含むことができる。第２電極は、圧電材料に隣接したシード層を含むことができる。シード層は、イリジウムを含むことができる。シード層は、（１１１）結晶配向した薄膜表面を有することができる。シード層は、酸化イリジウムを含むことができる。第１電極は、白金を含むことができる。ＭＥＭＳは、内部に形成された圧縮可能なチャンバ及びそのチャンバに隣接するアクチュエータを有する本体を含むことができ、このアクチュエータは圧電積層体を含んでいる。セラミックターゲットの場合は、ｙは０．０８以上とすることができる。被堆積面にセラミック材料を堆積させる前にシード層を被堆積面に適用することができる。シード層は（１１１）結晶配向を含むことができる。被堆積面にシード層を適用する前に密着層を適用することができる。圧電材料の形成後は、圧電材料上に電極を適用することができる。

本発明の一つ又はそれ以上の実施形態の詳細を添付図面及び以下の記載により説明する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、この記載、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

トランスデューサを有するＭＥＭＳ本体の横断面図である。 ＭＥＭＳ本体の横断面図である。 電極及び圧電体層を有するＭＥＭＳ本体の横断面図である。 トランスデューサ積層体（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｓｔａｃｋ）を有するＭＥＭＳ本体の横断面図である。

各図面における同一の参照符号は同一の構成要素を示す。

デバイスの圧電体層又は構造の形成は上述したように多くの異なる方法で行うことができる。しかしながら、特にＰＺＴ種の圧電材料を形成する一つの方法は、所望の位置に材料をスパッタすることである。圧電材料の形成に用いられるスパッタプロセス及びターゲットに応じて、得られる圧電体層の特性の一部、例えば、Ｄ３１係数（層に対し印加されたバイアス電圧による分極の軸に垂直な層の横方向の収縮又は伸長の大きさ）又はＤ３３係数（層に対し印加されたバイアス電圧による分極の軸に沿った厚み又は長手方向の変化の大きさ）を決定することができる。特定量の鉛、ジルコニウム、酸素、チタン、及びドーパント材料（ニオブ等）を含むターゲットを用いてスパッタを行うことにより、他の圧電材料形成方法で達成されるよりも優れた特性の材料を得ることができる。さらに、材料がスパッタされる面の平面も圧電材料の品質に影響を及ぼし得る。

図１を参照すると、圧電トランスデューサを有するＭＥＭＳデバイスが示されている。本体１００は、内部にチャンバ２０を具備する主要部１５を有している。チャンバ２０は最下層１０の開口３５を介して周囲環境に開放されている。チャンバ２０の部分はチャンバ２０を覆うメンブレン２５及び本体１００の主要部１５によって画定されている。場合により、メンブレン２５は、層３０のチャンバ２０に直接隣接している部分とは異なる材料から作製されている層３０を含む。幾つかの実施形態においては、本体１００は、大部分がシリコン、二酸化ケイ素、又はこれらの組合せ（例えば、各材料の一つ又はそれ以上の層）から形成されている。例えば、主要部１５はシリコンから形成することができ、一方、最下層１０はシリコン又は二酸化ケイ素から形成することができる。メンブレン２５の大部分をシリコンから形成することができ、一方、層３０はシリコン又は二酸化ケイ素から形成することができる。本体１００は、複数の層をエポキシを用いるなどして接着するか又は層を融着することにより形成することができる。

本体１００のチャンバ２０上には圧電トランスデューサ１１０が形成されている。圧電トランスデューサ１１０は、下部積層電極、上部積層電極、並びに下部積層電極及び上部積層電極の間に位置する圧電体層５０を含む。

下部積層電極は本体１００上に配置されている。幾つかの実施形態においては、下部積層電極は、本体１００に隣接する密着層４０及び密着層４０上のシード層４５の二つの部分を含む。下部積層電極の二つの層はいずれも導電体層である。幾つかの実施形態においては、密着層４０の厚みは約５０〜１０００オングストローム（Å）（厚み約１００〜５００オングストローム等）であるが、他の厚みを用いてもよい。幾つかの実施形態においては、密着層は、チタン、チタンタングステン、クロム、ニッケル、モリブデン、又は他の好適な遷移金属若しくは導電性材料から形成されている。その名称が示す通り、密着層４０はシード層４５のメンブレン２５への密着を助ける。密着層４０がないと、ある種のシード層材料を用いた場合にシード層４５がメンブレン２５から剥がれたり層状剥離しやすくなる。

シード層４５は、厚み１００Å〜１ミクロン（厚み約５００Å〜５０００Å等）で形成することができる。幾つかの実施形態においては、シード層４５は、白金、イリジウム、又は他の好適な導電性材料から形成されている。シード層４５がイリジウムから形成されている場合、シード層４５の膜表面は（１１１）結晶配向を有することができる。

上部積層電極は、圧電体層５０に隣接する密着層８０及び密着層８０上の金属層８５を含むことができる。密着層８０の厚みは約１００Å〜１ミクロン（厚み約１００Å〜１０００Å等）とすることができる。幾つかの実施形態においては、密着層８０は、チタン、チタンタングステン、クロム、ニッケル、ニッケルクロム、又は他の好適な導電性金属等の導電性材料から形成されている。幾つかの実施形態においては、密着層８０は、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、又は他の導電性酸化物等の金属酸化物から形成されている。密着層８０の圧電体層５０と反対側にある金属層８５は、厚み１００Å〜４ミクロン（厚み約１０００Å〜２ミクロン等）とすることができる。金属層は、白金、イリジウム、金、銅、アルミニウム、又は他の好適な遷移金属等の導電性材料から形成することができる。

圧電体層５０は、主としてチタン酸鉛ジルコニウムニオブ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｎｉｏｂｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ）がスパッタされた層から形成されている。幾つかの実施形態においては、圧電材料は、ペロブスカイト型圧電材料である。幾つかの実施形態においては、圧電材料は、（１１１）結晶配向面よりも（１００）結晶配向面の比率が高い。幾つかの実施形態においては、圧電材料の組成は、Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_{０．５０＋／−０．０２}Ｔｉ_{０．５０＋／−０．０２}）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、−０．０１≦ｘ≦０．１５且つ０＜ｙ≦０．１５）である。幾つかの実施形態においては、０≦ｘ≦０．０５且つ０＜ｙ≦０．１０である。幾つかの実施形態においては、０．１０≦ｙ≦０．１５である。幾つかの実施形態においては、ｙは約０．１２である。圧電体層５０の厚みは少なくとも０．５ミクロン（厚み約１ミクロン又は約２ミクロン又は約４ミクロン超、例えば約４〜６ミクロン又は約６〜８ミクロン等）とすることができる。

積層体の圧電体層５０は、上部積層電極及び下部積層電極の間に電圧を印加することにより駆動させることができる。駆動させることによりメンブレン及び圧電体層の組合せが屈曲する。ＡＣ電圧を用いてチャンバ２０にポンプ作用を生じさせることができる。チャンバ２０内に流体（十分に低粘度の液体等）が存在する場合、ポンプ作用によって液体が本体１００の開口３５から押し出される。

図２−４を参照すると、ＭＥＭＳデバイス上にトランスデューサを形成する方法が記載されている。図２を参照すると、その上にトランスデューサが形成される本体１００が提供されている。例示的なＭＥＭＳ本体は米国特許出願公開第２００５−００９９４６７号明細書に記載されている。しかしながら、その上にトランスデューサが形成されるＭＥＭＳ本体として他の種類のものも提供することができる。図３を参照すると、物理蒸着（ＰＶＤ）等により密着層４０を本体に適用することによって下部積層電極が形成される。次いで、シード層４５がＰＶＤ等により適用される。シード層４５の形成にイリジウムが使用される場合は、（１１１）結晶配向したイリジウムを膜表面に形成することができる。

次いで、圧電体層５０が適用される。幾つかの実施形態においては、圧電体層５０の形成に回転型ＲＦマグネトロンＰＶＤ装置が使用される。ＰＶＤ装置は、基板のＤＣ自己バイアス電圧を制御するために調整された基板のＲＦインピーダンス整合ネットワークを有していてもよい。好適なＰＶＤ装置は、２００９年２月１９日に出願された米国特許出願第１２／３８９，２５３号明細書であるＰｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋに記載されており、これを本明細書の一部を構成するものとして参照によりここに援用する。ＰＶＤ装置は、スパッタ用ガスとしてアルゴン及び酸素ガスを使用する反応性ＰＶＤ法を用いることができる。ＰＶＤ装置ではＰｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、０≦ｘ≦０．３０且つ０≦ｙ≦０．２（０≦ｘ≦０．０５且つ０≦ｙ≦０．１０等）の組成を有するセラミックＰＺＴターゲットを使用することができる。幾つかの実施形態においては、ターゲットのニオブ含有量はｙ＝０．１、０．１１、０．１２、又は０．１３である。鉛の量は、結果として得られるＰＺＴに過剰の結晶粒界が形成されることを防ぐために、例えば１．３０未満に維持される。幾つかの実施形態においては、ターゲットは、鉛、チタン、ジルコニウム、及び酸素原子から構成され、他の原子種を含まない。

ＰＺＴを形成するための例示的なプロセスは、以下の条件を有することができる。ウエハチャック温度は約５５０℃〜７５０℃（約６５０℃〜７２０℃等）である。ターゲット中の鉛がより高量である場合は堆積温度をより高くすることで相殺することができる。Ａｒ／Ｏ_２圧は約１ミリトール〜１５ミリトール（約２ミリトール〜１０ミリトール等、例えば２ミリトール〜６ミリトール）である。Ｏ_２／（Ａｒ＋Ｏ_２）のガス比率は約０．５％〜４％（約２．０％等）である。カソードのＲＦ電力は約１０００Ｗ〜５０００Ｗ（約２０００Ｗ〜４０００Ｗ等、例えば約３０００Ｗ）である。基板のＤＣ自己バイアスは約＋５Ｖ〜＋１５０Ｖ（約＋２０Ｖ〜＋１００Ｖ等、例えば約＋４０Ｖ〜＋８０Ｖ）である。これらの条件下で１時間スパッタ堆積を行うことにより厚みが数ミクロン（約４ミクロンまで等）の圧電体層を生成させることができる。

圧電体層を形成するために、所望の被堆積面（メタライズされた物体、例えば（１１１）結晶配向した膜表面を有するイリジウムの層）を含むウエハがＰＶＤ装置に導入される。（１１１）結晶配向したイリジウム膜は、アルゴンスパッタ堆積プロセスを用いるなどして堆積させることができる。ウエハが下部積層電極の一部としてイリジウム層を有する場合は、ウエハを堆積温度すなわち４５０℃を超える温度及び堆積圧力にすることができる。少量の酸素を含むガス（酸素を１％含有するガス等）をウエハ上に流すことができる。酸素の比率が低い酸素ガスを場合により少なくとも３０秒間（数分間等）流す。高温及び酸素ガスによってイリジウム表面が酸化されて導電性の酸化イリジウムが形成される（ＩｒＯ_ｘ、１≦ｘ≦３）。酸化イリジウムはアクチュエータデバイスの降伏電圧を改善することができる。導電性の金属酸化物は酸素原子をＰＺＴから金属電極中に拡散しにくくするため、圧電材料の酸素欠損を遅延させることができる。イリジウム層を場合により酸化した後、スパッタプロセスを開始して圧電材料を成長させる。

図４を参照すると、密着層６５及び金属層７０を含む上部積層電極が圧電体層５０に適用されている。上部積層電極及び下部積層電極は、所望によりパターン形成することができる。場合により、圧電体層５０を切断して、基板上で複数のアクチュエータに分割することができる。

本明細書において記載される圧電材料はＤ３１係数が高い圧電材料である。スパッタ堆積を用いることにより圧電材料は非常に均質となり、他の堆積プロセスを用いた場合に残存するバインダーも他の残留物質も含有させることなく、鉛、ジルコニウム、酸素、チタン、及びニオブの原子から構成させることができる。本明細書に記載したシード層をＰＶＤ装置の工程条件と併用するなどして形成された圧電体層は、高比率でペロブスカイト（１００）結晶配向を有することができる。ニオブはペロブスカイト構造を促進するドーパントである。上述の量のニオブを有するスパッタリングターゲットからは、比誘電率が約１０００〜約１６００の範囲にあるＰＺＴ膜を得ることができる。

本発明の多くの実施形態について説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な修正が可能であることが理解されよう。例えば、アクチュエータ及びＦＲＡＭ用ＰＺＴについて説明してきたが、この材料を他の構造に使用することも可能である。したがって、他の実施形態は以下の特許請求の範囲に包含される。

Claims (20)

1. Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、ｘ＞−０．０２且つｙ＞０）の物体を含む圧電材料。
2. −０．０１≦ｘ≦０．１５且つ０＜ｙ≦０．１５である、請求項１に記載の圧電材料。
3. ０≦ｘ≦０．０５且つ０．０８＜ｙ≦０．１３である、請求項１に記載の圧電材料。
4. 前記材料がペロブスカイト型結晶構造を有する、請求項１に記載の圧電材料。
5. ｙが約０．１である、請求項１に記載の圧電材料。
6. 請求項１に記載の圧電材料と、
   前記圧電材料の第１面上の第１電極と、
   前記圧電材料の第２面上の第２電極と、を備える圧電積層体。
7. 前記第１電極が、前記圧電材料に直接隣接する導電性酸化物を含む、請求項６に記載の圧電積層体。
8. 前記第２電極が、前記圧電材料に隣接するシード層を含む、請求項６に記載の圧電積層体。
9. 前記シード層が、イリジウムを含む、請求項８に記載の圧電積層体。
10. 前記シード層が、（１１１）結晶配向した膜面を有する、請求項８に記載の圧電積層体。
11. 前記シード層が、酸化イリジウムを含む、請求項８に記載の圧電積層体。
12. 前記第１電極が、白金を含む、請求項８に記載の圧電積層体。
13. 圧縮可能なチャンバを内部に有する本体と、
    前記チャンバに隣接するアクチュエータであって、請求項６に記載の圧電積層体を含むアクチュエータと、を備えるＭＥＭＳ。
14. Ｐｂ_{１．００＋ｘ}（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_{１．００−ｙ}Ｏ_３Ｎｂ_ｙ（式中、−０．１≦ｘ≦０．３０且つ０＜ｙ≦０．２）の組成を有するセラミック体を含むセラミックターゲット。
15. ０．０８≦ｙである、請求項１４に記載のセラミックターゲット。
16. 圧電材料の形成方法であって、
    チャンバ内の請求項１４に記載のセラミックターゲットにバイアスをかける工程と、
    前記チャンバ内の支持体を４５０℃よりも高い温度に加熱する工程と、
    前記支持体上に被堆積面を支持する工程と、
    不活性及び反応性ガスを前記チャンバに導入して前記セラミックターゲットからのセラミック材料を前記被堆積面上に堆積させることにより前記圧電材料を形成する工程と、を含む圧電材料の形成方法。
17. 前記被堆積面に前記セラミック材料を堆積させる前に前記被堆積面にシード層を適用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記シード層が（１１１）結晶配向を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記シード層を適用する前に密着層を前記被堆積面に適用することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記圧電材料を形成した後に、前記圧電材料上に電極を適用することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

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