JP3561745B1

JP3561745B1 - 薄膜製造方法

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Publication number: JP3561745B1
Application number: JP2003074618A
Authority: JP
Inventors: 隆彦柳谷; 好章渡辺
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-11
Also published as: JP2004244716A

Abstract

【課題】基板の種類を選ばず、ｃ軸が薄膜の面内の一方向に配向したＺｎＯ薄膜を製造する方法を提供する。
【解決手段】基板１１に、ｃ軸を配向させようとする方向に温度勾配を形成して、ＺｎＯ薄膜を堆積させる。ここで、温度勾配は、例えば基板１１を設置する基板台１４の一端面をヒータ１３で加熱しつつ、その端面に対向する端面を冷却ユニット１５で冷却することにより形成する。ＺｎＯ薄膜の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法等を用いることができる。こうして基板１１に堆積したＺｎＯ薄膜は、そのｃ軸が温度勾配の方向に配向したものとなる。この方法では、Ａｌ，Ｃｕ等の金属基板やガラス基板等の様々な基板を用いることができる。また、この方法を用いて単結晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成することにより、従来よりも結晶性が高い良質のＺｎＯ単結晶薄膜を得ることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の方向に配向した単結晶又は多結晶薄膜の製造方法、及び該薄膜を用いたデバイスに関する。本発明は特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜の製造に適したものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波計測において計測器の性能を向上させるために、分解能の高いトランスデューサが求められている。トランスデューサとは、音響的な表面波やバルク波を励振又は検出する素子である。この計測用トランスデューサは、主に材料定数の測定や、媒質中の欠陥・傷等の探査及び応力の測定等に用いられる。一般にトランスデューサには、音波により歪みが与えられることに伴い分極が変化する現象である圧電効果を有する圧電体が用いられる。測定系の空間分解能は音速に反比例し、動作周波数に比例するため、上記の計測を高い分解能で行うには、（ｉ）縦波に比べて音速が遅い横波を用い、（ｉｉ）高周波領域で励振及び検出を行う必要がある。従って、計測分野においては高周波横波用トランスデューサが求められている。
【０００３】
また、携帯電話等の移動体通信機器の小型化に伴い、それらに用いられる信号処理デバイスの小型化が求められている。そのデバイスのひとつに、ＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ：弾性表面波）デバイスがある。ＳＡＷデバイスにおいては従来、圧電体膜上を伝播する、縦波と横波の合成波であるレイリー波を利用していた。レイリー波は圧電体膜の端面で反射する場合に減衰するため、従来は反射器を設けてこの減衰を防ぐ必要があった。それに対して近年、圧電体膜に平行に振動する横波成分のみから成る表面ＳＨ波を利用したＳＡＷデバイス（表面ＳＨ波デバイス）が用いられるようになった。表面ＳＨ波は圧電体膜端面で全反射するため、この表面ＳＨ波デバイスは従来のように反射器を設ける必要はなく、従来よりも小型化することができる。
【０００４】
上記のトランスデューサや表面ＳＨ波デバイスは、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波領域で動作する。これらのデバイス中の圧電体において、周波数ν（ｓｅｃ^−１）、音速ｖ（ｍ／ｓ）、圧電体の厚さｄ（ｍ）の間にはν＝ｖ／（２ｄ）の関係がある。圧電体を伝播する横波の音速を３０００ｍ／ｓ〜８０００ｍ／ｓとすると、このような高周波領域でこれらのデバイスが動作するためには、厚さｄを数μｍ〜数十μｍにする必要がある。このような厚さまで薄膜化が可能な圧電材料には、ＺｎＯ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（略称：ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））等がある。
【０００５】
横波を励振するには、圧電体がすべりモードで振動しなければならず、そのためには分極軸を電界方向に垂直に揃える必要がある。そのため、ＰＺＴやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の薄膜では、面内方向に強電界（５０ＭＶ／ｍ以上）を印加して分極処理を行わなければならないが、そのような処理を数ｍｍ以上の領域に亘って行うことは困難である。一方、ＺｎＯ薄膜では分極処理を行わなくとも、その結晶配向を揃えることにより横波を励振することができる。例えば、ｃ軸が薄膜の面内の一方向に配向すれば、その薄膜を電極で挟んでｃ軸と電界方向を垂直にすることにより、横波が励振される。従って、上記のトランスデューサや表面ＳＨ波デバイスに用いる圧電膜には、ｃ軸を面内の一方向に配向させたＺｎＯ薄膜を用いることが望ましい。
【０００６】
表面を（０１−１２）面としたサファイア単結晶基板上にＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させれば、ｃ軸を面内の一方向に配向させることができる。しかし、このＺｎＯ薄膜を用いて横波用トランスデューサを作製する際には、横波を伝播させる媒質の表面に形成された電極に、接着剤層を介してＺｎＯ薄膜を接着しなければならない。この接着剤層の存在により、ＺｎＯ薄膜の振動を、媒質を伝播する横波に変換する効率が低下していた。また、サファイア単結晶基板は高価でありコスト面で不利である。更に、基板の種類が制約されるため、デバイスへの応用のうえでその特性が制約されてしまう。
【０００７】
デバイスに用いる電極となる層の上に直接ＺｎＯ薄膜を形成することができれば接着剤層が不要となり、また、ＺｎＯ薄膜と電極層との接合工程が不要となる。また、これらの電極層は前記のサファイア単結晶基板よりも安価であるため、コスト面でも望ましい。しかし、電極層となる金属層等の上にスパッタ法等を用いてＺｎＯ薄膜を作製すると、ｃ軸は薄膜の面に垂直な方向に配向しやすい。そこで、ｃ軸が面内の一方向に配向したＺｎＯ薄膜を電極層上に形成するために、様々な方法が検討されてきた。特許文献１には、アルミニウム電極層上に、アルミニウム又はアルミニウム酸化物をドープしたＺｎＯ薄膜を形成し、そのｃ軸が面内に配向することについて記載されている。特許文献２には、スパッタ法において、スパッタターゲット面から斜めに指向したビームを基板に照射することにより、そのビームの方向にｃ軸が揃った薄膜を作製することが記載されている。特許文献３には、サファイア（０１−１２）単結晶基板上に、まず電極となる低抵抗のＺｎＯ薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に圧電体となる高抵抗のＺｎＯ薄膜を成長させることが記載されている。ここで、低抵抗ＺｎＯ薄膜は、低酸素雰囲気中で作製するか、アルミニウム等をドープすることにより作製する。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭５０−２３９１８号公報（第１ページ左欄３６行目〜第２ページ左欄２行目）
【特許文献２】
特公昭５１−２０７１９号公報（第２ページ右欄４０〜４２行目、第３ページ左欄１８〜２３行目）
【特許文献３】
特開平８−２２８３９８号公報（［００１７］〜［００２５］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の方法では、ｃ軸は、薄膜の面内方向に配向するが、面内では方向を揃えることはできない。特許文献２の方法では、ｃ軸を基板（電極層）に対して斜めの一方向に配向させることはできるが、基板に平行な一方向に配向させることはできない。特許文献３の方法では、作製される低抵抗ＺｎＯ薄膜の電気抵抗率が金属のそれよりも高いため、デバイスへの応用が難しい。また、ＺｎＯ薄膜を作製する工程が２回分必要となり、製造工程が複雑になる。更に、サファイア単結晶基板を用いているため、前記と同様にコストの問題や、基板の種類の制約によりデバイスの特性が制約されるという問題が生じる。このように、特許文献１〜３の方法では、いずれもトランスデューサや表面ＳＨ波デバイス等のデバイスに適した、電極層上でｃ軸が面内の一方向に配向したＺｎＯ薄膜を作製することはできない。
【００１０】
ｃ軸が面内の一方向に配向したＺｎＯ薄膜は、電極層上に限らず、ガラス基板等の様々な基板に作製できることが望ましい。また、ＺｎＯ以外についても、所定の方向に配向した薄膜を作製できることが望ましい。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、基板の種類を選ばず、その基板上に所望の一方向に配向した薄膜を作製することができる薄膜の製造方法を提供することにある。併せて、これらの薄膜を用いたデバイスを提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜製造方法は、基板に平行な方向に温度勾配を形成し、該基板上に薄膜を堆積させることにより該方向に所定の結晶軸を配向させることを特徴とする。
【００１３】
この方法は特に、ZnO薄膜の製造に適したものである。本発明に係るZnO薄膜製造方法は、基板に平行な方向に 0.3 ℃ /mm 〜 30 ℃ /mm の温度勾配を形成し、該基板上に薄膜を堆積させることにより該方向に c 軸を配向させることを特徴とする。
【００１４】
更にこの方法は、酸化亜鉛の原料を含むプラズマ柱を形成して基板を該プラズマ柱内であって中心から外れた位置に設置し、遅い成膜速度、低い基板温度、低い雰囲気ガス圧で薄膜を堆積させることを特徴とする。
【００１５】
この方法により製造されたＺｎＯ薄膜は、圧電素子の圧電層に好適に用いることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る薄膜製造方法について説明する。薄膜を堆積させる基板には、単結晶等のように薄膜の配向を促すものを用いる必要はなく、金属製やガラス製等の様々な基板を用いることができる。基板に、薄膜の所定の結晶軸を配向させようとする方向に温度勾配を形成する。この温度勾配は、例えば基板の一部を、ヒーターにより局所的に加熱することや、水等により局所的に冷却すること等により形成することができる。また、製造装置の内部に自然に形成される温度勾配を利用してもよい。更に、この自然に形成される温度勾配と、前記局所的な加熱及び／又は冷却等とを併用してもよい。形成する温度勾配の大きさは、製造する薄膜に応じて適宜設定する。
【００１７】
この基板上に薄膜を堆積させる。薄膜の堆積には、その薄膜の製造に用いられる通常の方法（スパッタ法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等）及び条件（温度、成膜速度等）を用いることができる。これにより、所定の結晶軸が所定の一方向（温度勾配の方向）に配向した薄膜を製造することができる。
【００１８】
基板の熱エネルギーが平衡状態にある場合には、薄膜となる結晶の表面エネルギーの最も低い面が基板面に平行となるように成長する。従って、基板温度が高い平衡状態にある限り、優先配向の方向を所望の方向にするように制御することはできない。しかし、基板温度の低い非平衡状態では、基板に温度勾配を形成すると、優先配向の方向を制御することができるようになる。
【００１９】
具体的には、以下の理由により配向が生じると考えられる。薄膜の原料となる粒子やガスイオン等は、基板表面に到達して拡散する際に温度の高い方向から低い方向へ熱を輸送しようとするため、温度勾配の方向に大きく拡散する。そのため、結晶面の成長速度に異方性が生じる。その結果、勾配方向に均一に配向した薄膜が形成されると考えられる。
【００２０】
本発明に係るＺｎＯ薄膜製造方法について説明する。本発明においては、セラミックス基板、ガラス基板やその他の非晶質基板、銅基板・アルミニウム基板等の金属基板、セラミックス基板やガラス板等の表面に金属膜を蒸着した金属膜蒸着基板、等の様々な材料の基板を用いることができる。これらの基板は単結晶である必要はない。上記の方法により、基板上に０．３℃／ｍｍ〜３０℃／ｍｍの温度勾配を形成する。
【００２１】
温度勾配を形成した基板上に、通常のＺｎＯ薄膜の製造に用いられるスパッタ法やＣＶＤ法等の方法により、ＺｎＯ薄膜を堆積させる。これにより、ｃ軸が該温度勾配の方向に配向したＺｎＯ薄膜を製造することができる。
【００２２】
本発明の方法では、従来の単結晶基板を用いる方法のように基板のエピタキシャルな拘束力を利用することなく、前記のように様々な材料の基板上に、ｃ軸が温度勾配の方向に配向したＺｎＯ薄膜を製造することができる。
【００２３】
本発明のＺｎＯ薄膜製造方法においてはスパッタ法を用いることができるため、ｃ軸が所定の一方向に配向した薄膜を比較的高速で製造することができる。
【００２４】
本発明のＺｎＯ薄膜製造方法において、スパッタ法やＣＶＤ法等のプラズマを用いた方法により堆積を行う場合には、形成されるプラズマの領域（プラズマ柱）内であってその中心から外れた位置に基板を設置することが望ましい。これにより、基板に自然に温度勾配が形成される。この自然に形成される温度勾配が０．３℃／ｍｍ〜３０℃／ｍｍの範囲にあれば、別途ヒータ等により温度勾配を形成する必要はない。また、自然に形成される温度勾配とヒータ等により形成する温度勾配とを併用してもよい。
【００２５】
プラズマを用いて本発明の方法を実施する際には、成膜速度を遅く、基板温度を低く、雰囲気ガス圧を低くすることが望ましい。
【００２６】
本発明の方法によって得られるＺｎＯ薄膜を圧電層とするトランスデューサ、弾性表面波デバイス等の圧電素子を製造することができる。これらの圧電素子は、温度勾配を基板に平行に形成することによりＺｎＯ薄膜のｃ軸が膜に平行な一方向に配向するため、その薄膜を電極で挟んでｃ軸と電界方向を垂直にすることにより、横波を励振又は検出することに好適に用いることができる。前記電界方向は、横波を励振する際には薄膜に印加する電界の方向であり、横波を検出する際には該横波により薄膜内に生じる電界の方向である。
【００２７】
上記のように様々な基板を用いることができるため、金属基板や金属膜蒸着基板を用いた電極上に直接ＺｎＯ薄膜を形成することができる。そのため、圧電素子に接着剤層を設ける必要はなく、また、電極とＺｎＯ薄膜とを接合する工程を省略することができる。
【００２８】
キャリアをドープしたＺｎＯ薄膜は、光に対して透明であり、且つ高い電気伝導性を有するため、透明電極として用いることができる。この透明電極は従来より、例えば太陽電池等に用いられている。このキャリアをドープしたＺｎＯ薄膜のｃ軸に平行な方向の電気抵抗率は、ｃ軸に垂直な方向の電気抵抗率よりも２桁小さい。本発明の方法で得られるＺｎＯ薄膜にキャリアをドープすることにより、面内の所定の方向の電気伝導性が従来よりも更に高い透明電極を得ることができる。
【００２９】
本発明においては、基板が単結晶であることは必須条件ではないが、単結晶基板上に本発明の方法で薄膜を作製することにより、従来の方法により単結晶基板を用いてｃ軸を基板面に平行な一方向に配向させた場合よりも、結晶性が高い良質の単結晶薄膜を得ることができる。これは、単結晶基板によるエピタキシャルな拘束力に加えて、温度勾配による結晶成長速度の異方性により、結晶が更に強く配向するためであると考えられる。近年、ＺｎＯ単結晶薄膜を用いた発光ダイオードやレーザ発振素子等の発光素子の開発が盛んに行われている。本発明の方法により、それらの素子を実用化するために必要となる良質のＺｎＯ単結晶薄膜を提供することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、所定の結晶軸が所定の方向に配向した薄膜を製造することができる。この方法により、ｃ軸が膜に平行な一方向に配向したＺｎＯ薄膜を製造することができる。この方法を用いれば、基板のエピタキシャルな拘束力を利用する必要はない。そのため、金属基板、ガラス基板、セラミック基板等の様々な基板上に該ＺｎＯ薄膜を作製することができる。
【００３１】
ｃ軸が膜に平行な一方向に配向したＺｎＯ薄膜が求められる圧電素子、トランスデューサ、弾性表面波デバイス等に、本発明の方法により製造したＺｎＯ薄膜を好適に用いることができる。また、金属基板を用いることができるため、該ＺｎＯ薄膜を電極上に直接作製することにより製造工程を簡素化することができる。
【００３２】
【実施例】
本発明の薄膜製造方法の一実施例として、ｃ軸が膜に平行な一方向に配向したＺｎＯ薄膜を、スパッタ法を用いて製造する方法について説明する。図１に、本実施例で用いた製造装置を示す。成膜室１０の上部に接地電極１２を設ける。接地電極１２の下面にヒータ１３を設ける。ヒータ１３の側部に、基板１１を設置するための基板台１４を設ける。基板台１４の、ヒータ１３に接する端面に対向する端面に冷却ユニット１５を設ける。冷却ユニット１５内部に冷却水が通過する管を配設する。基板１１のヒータ１３側の端面の近傍の基板台１４上に第１熱電対１６１を、冷却ユニット１５側の端面の近傍の基板台１４上に第２熱電対１６２を設ける。
【００３３】
成膜室１０の下部にマグネトロン回路１７を設ける。マグネトロン回路１７に整合器１８を介して高周波電源１９を接続する。成膜室１０にターボ分子ポンプ２０を接続する。また、成膜室１０にアルゴン（Ａｒ）ガス及び酸素（Ｏ_２）ガスのガス源２１を接続する。
【００３４】
図１の装置を用いて、ｃ軸が膜に平行な一方向に配向したＺｎＯ薄膜を製造する方法を説明する。基板１１を基板台１４の下面に設置する。ヒータ１３と冷却ユニット１５とを結ぶ方向（図１の左右方向）の基板台１４の長さは１０８ｍｍである。基板１１の水平方向の位置は、基板１１の中心が基板台１４の中心から冷却ユニット１５側に２０ｍｍ離れた位置とする。この位置は、本実施例に用いた装置において最もプラズマ密度が高くなる位置である。本実施例では、ガラス基板、銅基板、アルミニウム基板、アルミニウム蒸着基板の４種類の基板を用いた。図１の左右方向の基板１１の長さは５０ｍｍである。マグネトロン回路１７の上に、ＺｎＯ薄膜の原料であるＺｎＯ焼結体ターゲット２２を載置する。ＺｎＯ焼結体ターゲット２２と基板との距離は５０ｍｍである。
【００３５】
成膜室１０内をターボ分子ポンプ２０により減圧した後、ＡｒとＯ_２を１：３の比で混合したガスを、ガス圧が１×１０^−３Ｔｏｒｒになるように導入する。ヒータ１３を加熱し、冷却ユニット１５内に冷却水を導入する。第１熱電対１６１及び第２熱電対１６２により基板１１の両端面の温度を測定し、ヒータ１３側の基板端面の温度が２００℃、冷却ユニット１５側の基板端面の温度が１００℃になるように、ヒータ１３の出力及び冷却ユニット１５の冷却水の流量を制御する。これにより、基板１１には、ヒータ１３と冷却ユニット１５とを結ぶ方向に５℃／ｍｍの温度勾配が形成される。
【００３６】
高周波電源１９からマグネトロン回路１７に、１３．５６ＭＨｚ、３０Ｗの高周波電力を供給する。これによりマグネトロン回路１７と接地電極１２との間に電界が形成され、マグネトロン回路１７の電磁石によりＺｎＯ焼結体ターゲット２２の近傍に磁界が形成される。成膜室１０内のＡｒガスは電界により電離して電子を放出する。この電子がＺｎＯ焼結体ターゲット２２近傍の電界及び磁界により、トロイダル曲線を描きながら運動する。これによりＺｎＯ焼結体ターゲット２２近傍にプラズマが発生し、このプラズマによりＺｎＯ焼結体ターゲット２２がスパッタされる。
【００３７】
スパッタされた原料が基板１１に達して、基板１１表面に堆積する。その際の成膜（体積）速度を０．２５μｍ／ｈｏｕｒとする。基板１１には上記のように温度勾配が形成されているため、その温度勾配の方向にｃ軸が配向したＺｎＯ薄膜が形成される。上記の実施例における作製条件はＺｎＯ薄膜を作製する最適条件である。
【００３８】
このように作製したＺｎＯ薄膜のＸ線回折パターンを測定した結果を図２に示す。図２には、基板１１に（ａ）ガラス基板、（ｂ）銅基板、（ｃ）アルミニウム基板、（ｄ）アルミニウム蒸着基板を用いた場合の回折パターンをそれぞれ示す。いずれの基板を用いた場合にも、ＺｎＯの（１１−２０）面による回折ピークが見られるのに対して、（０００２）面による回折ピーク（２θ＝３４．４２°）は見られない。このことから、作製されたＺｎＯ薄膜のｃ軸は膜に平行に配向していることがわかる。
【００３９】
更に、ｃ軸が一方向に配向していることを確認するために、本実施例の製造方法によりアルミニウム蒸着基板上に作製したＺｎＯ薄膜の、膜に平行な面である（１１−２０）面の極点図を図３（ａ）に示す。このＺｎＯ薄膜を作製する際には、図３（ａ）の矢印３１の方向に温度勾配を形成した。
【００４０】
変形例として、ヒータ１３及び冷却ユニット１５による温度勾配を形成せず、他の条件（基板１１の位置等）を本実施例と同じとして作製したＺｎＯ薄膜の（１１−２０）面の極点図を図３（ｂ）に示す。これは、基板１１の位置において自然に形成される温度勾配を利用したものである。また、比較例として、基板１１を基板台１４の中央に設置し、ヒータ１３及び冷却ユニット１５による温度勾配を形成せずに作製したＺｎＯ薄膜の（１１−２０）面の極点図を図３（ｃ）に示す。
【００４１】
これらの極点図は、薄膜の仰角αを９０°としたときのＸ線の入射角度θを（１１−２０）面の回折条件である２８．３°（２θ＝５６．６°）に固定し、薄膜の仰角α及び方位角βを走査して、検出したＸ線回折の強度をマッピングしたものである。いずれにおいてもα＝９０°に強度分布が集中している。これは（１１−２０）面の回折によるものである。一方、α＝３０°において、（ａ）ではβ＝９０°及び２７０°付近に集中した強度分布（極３２１及び３２２）が見られるのに対して、（ｂ）ではそれらの位置における集中度が（ａ）よりも弱く、同心円状の強度分布が見られる。更に（ｃ）では、α＝３０°においてβ＝９０°及び２７０°付近に強度が集中することなく、同心円状の強度分布が見られる。α＝３０°に現れる強度分布は、（１１−２０）面をｃ軸を中心に６０°回転した（１−２１０）面及び（−２１１０）面の回折によるものである。これらの結果は、（ｃ）の薄膜ではｃ軸が薄膜に平行な面内でランダムな方向に向いているのに対して、（ａ）の薄膜ではｃ軸が矢印３１の方向、即ち作製時の温度勾配の方向に配向していることを示している。また、（ｂ）は、ｃ軸が面内の一方向に配向する傾向はあるものの、その配向は不十分なものであることを示している。
【００４２】
同様の方法により得た（１１−２２）面の極点図を、図４（ａ）（本実施例）、（ｂ）（変形例）及び（ｃ）（比較例）に示す。図４では図３よりも明瞭な極点図が得られる。α＝５８°，β＝０°及び１８０°付近における極が、（ａ）では明瞭に、（ｂ）では（ａ）よりもやや弱く見られる。（ｃ）では同心円状の分布が見られる。更に、（ａ）、（ｂ）について、βを走査して得られたα＝５８°におけるＸ線回折の強度を図５に示す。（ａ）と比較すると（ｂ）のピーク幅が広いことから、（ｂ）における面内一方向の配向性が弱いことがわかる。
【００４３】
本実施例及び変形例では、前記のように基板１１の水平方向の位置を基板台１４の中心からずらして配置している。しかし、このことは、特許文献２に記載された、斜めに指向したビームによりその方向にｃ軸が配向したことを示すものではない。これは、図３〜５に示すように、本実施例及び変形例では同じ位置に基板を配置することにより、基板が同じ方向からビームを受けているが、ヒータ１３や冷却ユニット１５により温度勾配を設けた本実施例の方が変形例よりも強く配向していることから明らかである。また、特許文献２ではビームの方向に平行、即ち基板に対しては斜めの方向にｃ軸が配向しているのに対して、本実施例では基板に平行な一方向に配向している。更に、特許文献２では形成されるプラズマ柱の外部に基板を配置しているのに対して、本実施例ではプラズマ柱の中心から外れた位置ではあるがプラズマ柱の内部に基板を配置しているという点でも、特許文献２と本実施例とは異なる。
【００４４】
本発明の方法により製造されるＺｎＯ薄膜を用いたトランスデューサの一実施例を図６（ａ）に示す。このトランスデューサは、上部電極４１と下部電極４３との間に、本発明の方法により作製したＺｎＯ薄膜４２を配したものである。このトランスデューサは、下部電極４３上に本発明の方法によりＺｎＯ薄膜４２を堆積させ、ＺｎＯ薄膜４２の上部電極４１を堆積することにより製造することができる。
【００４５】
図６のトランスデューサの動作は以下の通りである。横波超音波を放射する際は、上部電極４１と下部電極４３との間に高周波電圧を印加する（図６（ｂ））。ＺｎＯ薄膜４２はその圧電性により、印加された高周波電圧を、ＺｎＯ薄膜４２に平行であってｃ軸に垂直な方向の機械的振動に変換する。これにより、ＺｎＯ薄膜４２に垂直な方向に進行する横波超音波が生成される。このトランスデューサに媒質を接触させると、該横波超音波が媒質中を伝播する。一方、横波超音波を検出する際は、ＺｎＯ薄膜４２はその圧電性により、横波超音波による機械的振動を高周波電圧に変換する（図６（ｃ））。この高周波電圧を検出することにより横波超音波を検出する。
【００４６】
このトランスデューサにより媒質内の欠陥等を測定する方法を説明する。このトランスデューサに媒質を接触させ、上部電極４１と下部電極４３との間にパルス状の高周波電圧を印加すると、トランスデューサが発した横波超音波が媒質内を伝播する。媒質内に欠陥等があればこの横波超音波が反射され、その反射波がトランスデューサに入射する。該反射波（横波超音波）をこのトランスデューサで検出することより、媒質内の欠陥等を測定することができる。
【００４７】
本発明の方法により製造されるＺｎＯ薄膜を用いたＳＡＷデバイスの一実施例を図７に示す。一対の櫛形電極５２と５３を、両電極の櫛が噛み合い、且つこれらの櫛の方向がＺｎＯ薄膜５１のｃ軸に垂直な方向になるように、ＺｎＯ薄膜５１の表面に設ける。両櫛形電極５２と５３の間に様々な周波数が重畳した高周波信号を入力すると、櫛の間（例えば櫛５２１と櫛５３１の間）に高周波電圧が印加される。これにより、櫛に平行な方向に振動する横波超音波が生成される。この横波超音波は、波長が各櫛形電極の櫛の間隔ｄと等しい場合以外は打ち消される。この横波超音波の波長は高周波信号の周波数に依存する。従って、このＳＡＷデバイスは、高周波信号に重畳した所定周波数以外の信号を排除して、所定周波数の信号のみから成る横波超音波を生成するフィルタとなる。この横波超音波は、同様のＳＡＷデバイスを用いて高周波電気信号に変換することができる。以上により、様々な周波数が重畳した高周波信号から所定の周波数の高周波信号のみを取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるＺｎＯ薄膜製造方法を実施する際に用いた製造装置の概略構成図。
【図２】本実施例において作製されたＺｎＯ薄膜のＸ線回折パターンを表すグラフ。
【図３】（ａ）本実施例、（ｂ）変形例及び（ｃ）比較例において作製されたＺｎＯ薄膜の（１１−２０）面の極点図。
【図４】（ａ）本実施例、（ｂ）変形例及び（ｃ）比較例において作製されたＺｎＯ薄膜の（１１−２２）面の極点図。
【図５】（ａ）本実施例及び（ｂ）変形例において作製されたＺｎＯ薄膜の（１１−２２）面について、α＝５８°においてβを走査して得られたＸ線回折の強度を表すグラフ。
【図６】本発明の方法により作製されるＺｎＯ薄膜を用いたトランスデューサの一実施例を示す斜視図。
【図７】本発明の方法により作製されるＺｎＯ薄膜を用いた弾性表面波デバイスの一実施例を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…成膜室
１１…基板
１２…接地電極
１３…ヒータ
１４…基板台
１５…冷却ユニット
１６１…第１熱電対
１６２…第２熱電対
１７…マグネトロン回路
１８…整合器
１９…高周波電源
２０…ターボ分子ポンプ
２１…ガス源
２２…ＺｎＯ焼結体ターゲット
４１…上部電極
４２、５１…ＺｎＯ薄膜
４３…下部電極
５２、５３…櫛形電極
５２１、５３１…櫛

Claims

基板に平行な方向に温度勾配を形成し、該基板上に薄膜を堆積させることにより該方向に所定の結晶軸を配向させることを特徴とする薄膜製造方法。
基板に平行な方向に 0.3 ℃ /mm 〜 30 ℃ /mm の温度勾配を形成し、該基板上に薄膜を堆積させることにより該方向に c 軸を配向させることを特徴とする酸化亜鉛薄膜製造方法。
前記薄膜の堆積を、酸化亜鉛の原料を含むプラズマ柱を形成して該原料を基板上に堆積させることにより行い、前記基板を該プラズマ柱内であってその中心から外れた位置に設置することを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛薄膜製造方法。
前記薄膜の堆積速度を２μm/h以下、基板温度を250℃以下、雰囲気ガス圧を6×10^-3Torr以下とすることを特徴とする請求項３に記載の酸化亜鉛薄膜製造方法。
前記基板が金属基板又は表面に金属を蒸着した基板から成ることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜製造方法。
前記基板が単結晶基板であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の酸化亜鉛薄膜製造方法。
請求項２〜６のいずれかに記載の方法により金属基板又は表面に金属を蒸着した金属膜蒸着基板上に製造され、結晶c軸が面内で一方向に配向し、ドープ元素を含まないことを特徴とする酸化亜鉛薄膜。
請求項７に記載の酸化亜鉛薄膜から成る圧電層と前記金属基板又は金属膜蒸着基板から成る電極とを有することを特徴とする圧電素子。