特許 6560897 圧電膜の積層体とその製造方法及び光スキャナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6560897

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】圧電膜の積層体とその製造方法及び光スキャナ

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/316 20130101AFI20190805BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20190805BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20190805BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20190805BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20190805BHJP

   H02N 2/00 20060101ALI20190805BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20190805BHJP

   H01L 41/319 20130101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/316

   G02B26/10 104Z

   G02B26/08 E

   B81B3/00

   B81C1/00

   H02N2/00

   H01L41/09

   H01L41/319

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-103049(P2015-103049)

(22)【出願日】2015年5月20日

(65)【公開番号】特開2016-219603(P2016-219603A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2018年4月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安田 喜昭

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１１１０９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１３９９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０３３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００９９１２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／０２６４３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−０８０８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９１７９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／００−４１／４７

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｃ １／００

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｈ０２Ｎ ２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成した圧電材料からなる第１圧電膜と、
前記第１圧電膜の上に重ねて形成した、前記圧電材料と同じ結晶構造の導電性酸化物からなる導電性薄膜と、
前記導電性薄膜の上に重ねて形成した、前記圧電材料からなる第２圧電膜とを有し、
前記圧電材料は、PZT、PNZT、PLZT、PLT、PMN又はPMNNであり、
前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜は、高さ方向が前記第１圧電膜、前記導電性薄膜及び前記第２圧電膜を積層した積層方向と一致する柱状結晶構造を有し、
前記導電性薄膜は、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜間の前記柱状結晶構造の連続性を分断していることを特徴とする積層体。

【請求項2】

請求項１に記載の積層体において、
前記導電性薄膜は、SrRuO₃(SRO)、LaNiO₃(LNO)、BaRuO₃(BRO)のうち何れか１つからなることを特徴とする積層体。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の積層体及び基板を用いて形成する複数の圧電カンチレバーを、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように一端部を機械的に連結してなるミアンダ構造の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにより駆動されるミラー部とを備え、
前記ミラー部が１軸又は２軸周りに回動可能に構成されている光スキャナ。

【請求項4】

基板上にPZT、PNZT、PLZT、PLT、PMN又はPMNNの圧電材料からなる第１圧電膜を形成する第１圧電膜形成工程と、
前記第１圧電膜の上に重ねて前記圧電材料と同じ結晶構造の導電性酸化物からなる導電性薄膜を形成する導電性薄膜形成工程と、
前記導電性薄膜の上に重ねて前記圧電材料からなる第２圧電膜を形成する第２圧電膜形成工程とを有し、
前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜は、高さ方向が前記第１圧電膜、前記導電性薄膜及び前記第２圧電膜を積層した積層方向と一致する柱状結晶構造を有し、
前記導電性薄膜は、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜間の前記柱状結晶構造の連続性を分断していることを特徴とする積層体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電膜の積層体とその製造方法、その積層体を用いて構成された光スキャナに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細構造を有するシステムで構成されたセンサ素子、アクチュエータ素子のニーズが大きくなっている。このため、シリコンウエハ上に直接、圧電薄膜を成膜する直接薄膜形成法の開発が進んでいる。直接薄膜形成法は、スパッタ法の他、イオンプレーティング法、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、PLD（Pulse Laser Deposition）法、MBE（Molecular Beam Epitaxy）法、そしてCSD（Chemical Solution Deposition）法等が知られている。

【0003】

圧電材料としてPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて形成されるMEMS用の圧電アクチュエータにおいては、以下で説明するPZT膜の内部構造に起因した特性劣化の問題があり、現状では解決に至っていない。

【0004】

すなわち、スパッタ法やイオンプレーティング法等のドライ成膜法では、加熱した基板上に膜が連続的に成長する。そして、PZT膜の場合、連続的かつ柱状結晶構造を伴って成長する。これにより、PZT膜は圧電定数ｄ₃₁が大きく、厚膜化しても膜の剥離が起こりにくいといった優れた特長がある。しかしながら、この柱状結晶構造に沿う形でPbが粒界に拡散、偏析し、膜厚方向に連続する電気物性的欠陥が形成されやすい。これは、リーク電流の原因となるが、圧電薄膜にリーク電流が発生すると、長期信頼性を確保できなくなるので、産業応用上問題である。

【0005】

また、MEMS用の圧電アクチュエータの出力増大のために、PZT膜の膜厚を従来の1〜2μmから4〜5μmに厚くすることが求められている。このような厚膜化に伴い、PZT膜の表面凹凸が増加し、凹凸部に電界が集中して絶縁破壊の原因となっている。さらに、圧電アクチュエータを駆動させたとき生じる亀裂等により、空気中の水分等が膜中に浸透しやすくなり、リーク電流の増大によるPZT膜の劣化が起こるという問題も生じている。これは、発達した柱状結晶構造の表面凹凸に起因するため、圧電特性の高い、すなわち、結晶性に優れたPZT膜ほど発生する可能性が高い。

【0006】

一方、ウエット成膜法の１つであるCSD法では、スピンコート塗布・乾燥・焼成といった工程を繰り返して積層構造を作るので、リークパスが膜厚方向に貫通する可能性が低く、耐電圧が高いという特徴がある。しかし、総じて圧電特性はドライ成膜法のものより低い。

【0007】

これらの対策としては、下記の特許文献１に示されるように、成膜の途中に休止時間を設けながら、圧電薄膜を重ねる構造とし、柱状結晶構造による圧電薄膜の貫通を防止する方法が知られている（特許文献１／段落００８０〜００８２）。しかしながら、圧電薄膜を成長させるのに時間かかる上、圧電特性が低下するという問題があった。

【0008】

PbTiO₃等の誘電率の低い圧電体を電極界面に配置して、Pbの拡散を防止する方法も考えられるが、内部電界の減少により、圧電アクチュエータの変位量が低下してしまうという問題が生じうる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００７−１１６００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ドライ成膜法で顕著な圧電膜の柱状結晶構造に由来する電気物性的欠陥を抑制すると共に、4μmを越える膜厚を持つ圧電膜の表面凹凸に由来する電界集中と亀裂発生を抑制することで、リーク電流が少なく、信頼性の高い圧電膜の積層体とその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の積層体は、基板上に形成した圧電材料からなる第１圧電膜と、前記第１圧電膜の上に重ねて形成した、前記圧電材料と同じ結晶構造の導電性酸化物からなる導電性薄膜と、前記導電性薄膜の上に重ねて形成した、前記圧電材料からなる第２圧電膜とを有し、前記圧電材料は、PZT、PNZT、PLZT、PLT、PMN又はPMNNであり、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜は、高さ方向が前記第１圧電膜、前記導電性薄膜及び前記第２圧電膜を積層した積層方向と一致する柱状結晶構造を有し、前記導電性薄膜は、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜間の前記柱状結晶構造の連続性を分断していることを特徴とする。

【0012】

本発明の積層体は、基板上に形成した第１圧電膜の上に重ねて導電性薄膜を形成し、その上に第２圧電膜を重ねた構造であり、各圧電膜と導電性薄膜は、結晶構造が同じであるから、界面での接合性が良く、剥がれにくいという特長がある。

【0013】

また、同じ厚みの１層の圧電膜の積層体とした場合には、圧電膜特有の柱状結晶構造により、柱状結晶の粒界に沿った膜厚方向に連続した電気的欠陥、圧電膜のひび割れ、あるいは表面凹凸に電界が集中して絶縁破壊が起こる可能性がある。これに対し、本発明は、２層の圧電膜の間に導電性薄膜を介在させた構造であるので、上述の電気的欠陥、圧電膜のひび割れ、そして絶縁破壊が起こりにくい。従って、信頼性の高い積層体を実現できる。

【0014】

本発明の積層体において、圧電材料は、PZT、PNZT、PLZT、PLT、PMN又はPMNNであることが好ましい。

【0015】

例えば、圧電材料として、圧電定数ｄ_３１の高いPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）、PNZT（チタン酸ジルコン酸ニオブ酸鉛）、PLZT（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、PLT（チタン酸ランタン鉛）、PMN（マグネシウム酸ニオブ酸鉛）又はPMNN（マンガン酸ニオブ酸鉛）を用いる。これにより、これらの材料で作成した積層体を、例えば、圧電アクチュエータ等に使用した場合、同じ電圧でも大きな駆動力が得られる。

【0016】

本発明の積層体において、導電性薄膜はSrRuO₃(SRO)、LaNiO₃(LNO)、BaRuO₃(BRO)のうち何れか１つからなることが好ましい。

【0017】

例えば、導電性薄膜として、ぺロブスカイト型結晶構造を有するSrRuO₃（SRO：ルテニウム酸ストロンチウム）、LaNiO₃（LNO：ニッケル酸ランタン）又はBaRuO₃（BRO：ルテニウム酸バリウム）を用いる。これらの材料は、PZT等の圧電材料と特に相性が良く、圧電膜のエピタキシャル成長を実現し易いので、良質の積層体を作成することができる。

【0018】

本発明の光スキャナは、本発明の積層体及び基板を用いて形成する複数の圧電カンチレバーを、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように一端部を機械的に連結してなるミアンダ構造の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにより駆動されるミラー部とを備え、前記ミラー部が１軸又は２軸周りに回動可能に構成されている。

【0019】

本発明の光スキャナでは、圧電カンチレバーがその長手方向が隣り合うように並べて配置されているので、それぞれの圧電カンチレバーは、電圧を印加したとき長手方向と垂直な軸線回りに屈曲変形する。また、圧電カンチレバーの圧電膜は、本発明の積層構造となっているので、圧電特性が非常に高い。

【0020】

圧電アクチュエータは、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように一端部が機械的に連結されているので、屈曲変形を累積させてミラー部の回動を大きくすることができる。これにより、圧電アクチュエータを駆動によってレーザ光を二次元的に走査可能な光スキャナを実現することができる。

【0021】

本発明の積層体の製造方法は、基板上にPZT、PNZT、PLZT、PLT、PMN又はPMNNの圧電材料からなる第１圧電膜を形成する第１圧電膜形成工程と、前記第１圧電膜の上に重ねて前記圧電材料と同じ結晶構造の導電性酸化物からなる導電性薄膜を形成する導電性薄膜形成工程と、前記導電性薄膜の上に重ねて前記圧電材料からなる第２圧電膜を形成する第２圧電膜形成工程とを有し、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜は、高さ方向が前記第１圧電膜、前記導電性薄膜及び前記第２圧電膜を積層した積層方向と一致する柱状結晶構造を有し、前記導電性薄膜は、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜間の前記柱状結晶構造の連続性を分断していることを特徴とする。

【0022】

本発明の積層体の製造方法は、第１圧電膜形成工程、導電性薄膜形成工程及び第２圧電膜形成工程の順に行うものであるが、各圧電膜と導電性薄膜は、結晶構造が同じであるから、界面での接合性が良く剥がれにくい。また、絶縁破壊が少なく、圧電特性の高い積層体を製造することができる。

【0023】

本発明の製造方法により製造された積層体は、構造的な欠陥が少なく圧電特性も高いので、例えば、圧電アクチュエータに使用した場合に、安定した駆動が期待できる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、各用途に適した膜厚で、圧電特性が高く、リーク電流の少ない積層体とその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】光スキャナモジュールの構成図。

【図2】二次元光偏向器の斜視図。

【図3A】蛇腹状圧電アクチュエータの動作を説明する図（１）。

【図3B】蛇腹状圧電アクチュエータの動作を説明する図（２）。

【図4】光偏向部の詳細を説明する図。

【図5A】圧電アクチュエータの断面構造を説明する図（第１実施形態）。

【図5B】図５Ａの領域Ｒの拡大図。

【図6】RFマグネトロンスパッタ装置の模式図。

【図7】反応性アーク放電イオンプレーティング装置の模式図。

【図8A】圧電駆動式２軸ＭＥＭＳ光スキャナの製造工程（１）。

【図8B】圧電駆動式２軸ＭＥＭＳ光スキャナの製造工程（２）。

【図8C】圧電駆動式２軸ＭＥＭＳ光スキャナの製造工程（３）。

【図9A】圧電アクチュエータの断面構造を説明する図（第２実施形態）。

【図9B】図９Ａの領域Ｓの拡大図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

［第１実施形態］
図１は、本発明の積層体を含む光スキャナモジュール１である。光スキャナモジュール１は、例えば、超小型プロジェクタ、バーコードリーダ等に用いられる部品であり、主に二次元光偏向器２、レーザ光源３及び制御装置５で構成される。

【0027】

二次元光偏向器２は、半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して作製され、一定の方向から入射する光を回動するマイクロミラーで反射し、走査光として出射する。

【0028】

二次元光偏向器２の可動枠２ａ内には、主にマイクロミラー９（本発明の「ミラー部」に相当）、半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、トーションバー（弾性梁）１３ａ、１３ｂ等がある。レーザ光源３から入射するレーザ光４ａはマイクロミラー９で反射され、反射光（レーザ光４ｂ）が、例えば、超小型プロジェクタの投影面を走査する。

【0029】

このとき、制御装置５は、図示しない配線により可動枠２ａ及びレーザ光源３に制御信号を送信している。この制御信号により可動枠２ａの半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂが駆動され、これと結合したトーションバー１３ａ、１３ｂが捩れることで、マイクロミラー９を回動させる。また、この制御信号により、レーザ光源３は、レーザ光４ａのオン、オフや輝度が制御される。

【0030】

図２に示すように、二次元光偏向器２では、外枠支持体１１の中央に可動枠２ａが配設されている。また、可動枠２ａの両脇には、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂが配設され、可動枠２ａの外辺と外枠支持体１１の内辺とを結合している。

【0031】

蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂは、複数のカンチレバーを長手方向が隣り合う向きに並べて、上下方向端部で折り返して直列結合した構造になっている。詳細は後述するが、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂを駆動させることにより、可動枠２ａが水平方向、すなわち、図中のＸ軸周りを往復回動する。

【0032】

また、上述したように、半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂを駆動させることにより、マイクロミラー９がトーションバー１３ａ、１３ｂの軸と一致する、図中のＹ軸周りを往復回動する。

【0033】

この結果、二次元光偏向器２は、レーザ光４ａをマイクロミラー９で反射する際、光を二次元光偏向器２の前方に出射して、さらにＸ軸方向とＹ軸方向の２方向に走査することができる。

【0034】

詳細は後述するが、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ及び半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂの点描部分で示した部分は、２層の圧電膜の間にSrRuO₃（SRO）膜による中間層を挿入した構造となっている。これにより、駆動力が高く、圧電素子に特有の欠陥も生じ難い。

【0035】

外枠支持体１１の下方には、電極パッド７ａ〜７ｅ（以下、電極パッド７という）と、電極パッド８ａ〜８ｅ（以下、電極パッド８という）が配設されている。電極パッド７、８は、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ及び半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂの各電極に駆動電圧を印加できるように電気的に接続されている。

【0036】

なお、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂの部分がなくても光偏向器として機能する。この場合、可動枠２ａの部分が外枠支持体の役割を果たし、マイクロミラー９がＹ軸の回りを往復回動する一次元光偏向器となる。

【0037】

次に、図３を参照して、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａを例に蛇腹状圧電アクチュエータの動作を説明する。

【0038】

上述したように、この二次元光偏向器２は、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ（以下、圧電アクチュエータ６ａ、６ｂという）を動作させることにより、マイクロミラー９のＸ軸周りの往復回動を可能としている。なお、圧電アクチュエータ６ａ、６ｂは、本発明の「圧電アクチュエータ」に相当する。

【0039】

図３（ａ）は、二次元光偏向器２を表側から見たとき、左側に配設される圧電アクチュエータ６ａを切り出した図である。圧電アクチュエータ６ａは、圧電カンチレバーを４つ並べた形状である。また、各圧電カンチレバーは、主に、Pb(Zr,Ti)O₃（PZT：チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電膜とそれを挟む電極膜とで構成される（詳細は後述する）。以下では、可動枠２ａから離れた方より順に、圧電カンチレバー６ａ（１）、６ａ（２）、６ａ（３）、６ａ（４）と呼ぶ。

【0040】

例えば、蛇腹状圧電アクチュエータ６ａにおいて、奇数番目の圧電カンチレバー６ａ（１）、６ａ（３）に第１の電圧を印加する。また、偶数番目の圧電カンチレバー６ａ（２）、６ａ（４）に、第１の電圧とは逆位相の第２の電圧を印加する。

【0041】

このようにすることで、図３（ｂ）に示すように、奇数番目の圧電カンチレバー６ａ（１）、６ａ（３）を上方向に屈曲変位させ、偶数番目の圧電カンチレバー６ａ（２）、６ａ（４）を下方向に屈曲変位させることができる。

【0042】

図示しないが、圧電アクチュエータ６ｂについては、可動枠２ａに近い方より順に、圧電カンチレバー６ｂ（１）、６ｂ（２）、６ｂ（３）、６ｂ（４）とする。このとき、奇数番目の圧電カンチレバー６ａ（１）、６ａ（３）を下方向に屈曲変位させ、偶数番目の圧電カンチレバー６ａ（２）、６ａ（４）を上方向に屈曲変位させることができる。

【0043】

これにより、マイクロミラー９の下側（トーションバー１３ｂ側）よりマイクロミラー９の上側（トーションバー１３ａ側）が前面側となる（上側が図中のＵ方向に動く）ように、マイクロミラー９を変位させることができる。このようにして、マイクロミラー９をＸ軸周りに回動させることができる。

【0044】

次に、図４を参照して、可動枠２ａの詳細を説明する。図４は、可動枠２ａを斜め前方から見た斜視図である。初期状態において、マイクロミラー９は、中心Oから表側に延び出す法線をまっすぐ前方に向けている。

【0045】

円形のマイクロミラー９は、Ｙ軸方向のトーションバー１３ａ、１３ｂに支持され、可動枠２ａの中心に配設される。マイクロミラー９の反射面は、Au、Pt、Al等の金属薄膜を、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成する。なお、マイクロミラー９の形状は円形に限られず、楕円形やその他の形状であってもよい。

【0046】

トーションバー１３ａ、１３ｂは、一端がマイクロミラー９、他端が半環状圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ（以下、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂという）との結合部を越えて、可動枠２ａと結合している。このように、トーションバー１３ａ、１３ｂが可動枠２ａと結合していることで、Ｙ軸周りの往復回動が安定する。

【0047】

圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂは、マイクロミラー９を外側から包囲する位置に配設される。圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂは、Ｙ軸上でトーションバー１３ａ、１３ｂと結合し、Ｘ軸上で外枠支持体１１の一部である固定バー１４ａ、１４ｂと結合している。

【0048】

詳細は後述するが、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂも、半導体プレーナプロセスにより、PZTによる圧電膜を下部電極及び上部電極で挟み込んだ構造となっている。下部電極、上部電極を介して圧電膜に電圧を印加することで、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂを屈曲変形させ、トーションバー１３ａ、１３ｂを捩る仕組みである。

【0049】

圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂには、それぞれＹ軸に対して４５°傾いた直線上に分断溝１８が形成されており、圧電膜が周方向に分断されている。また、トーションバー１３ａ、１３ｂは、Ｙ軸上に延びているので、この位置でも圧電膜が周方向に分断されている。

【0050】

MENS技術による可動枠２ａの作製時には、まず、トーションバー１３ａ、１３ｂの部分を含めた全周に、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ用の圧電膜を一律に形成する。その後、エッチングによりトーションバー１３ａ、１３ｂの部分、分断溝１８の部分の圧電膜を除去する。

【0051】

圧電アクチュエータ１０ａは、２つの分断溝１８により上側から順番に区域１６ａ〜１６ｃに分けられる。一方、圧電アクチュエータ１０ｂは、２つの分断溝１８により上側から順番に区域１７ａ〜１７ｃに分けられる。

【0052】

これにより、区域１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃの圧電膜には、個別に駆動電圧を印加可能になる。例えば、区域１６ａ、１６ｃ、１７ｂに所定の電圧Ｖ１を印加し、区域１６ｂ、１７ａ、１７ｃにＶ１とは逆位相となる電圧Ｖ２を印加することにより、マイクロミラー９をＹ軸回りに揺動させることができる。また、上記のように圧電膜を分離することで、分離しない場合の約半分の電圧で同じ振れ角が得られ、消費電力を抑えられる。

【0053】

ここで、図５Ａ、５Ｂを参照して、各圧電アクチュエータの構造を説明する。図５Ａは、図２の圧電アクチュエータ６ａの断面（例えば、Ｘ軸線の断面）を示している。また、図５Ｂは、図５Ａの領域Ｒの拡大図である。

【0054】

まず、基板として用いられるSOI（Silicon On Insulator）ウエハ２０の表面を熱酸化処理する。すなわち、SOIウエハ２０上にSiO₂膜（シリコン酸化膜）２１を500nm成膜した後、スパッタ法によりTi膜２２（50nm）、Pt膜２３（150nm）、SRO膜２４（100nm）を順次成膜し、下部電極LE（Lower Electrode）を作る。

【0055】

次に、SRO膜２４上に、イオンプレーティング法によりPZT膜２５ａ（2μm）を成膜する。ここまでは、従来と同じプロセスである。通常、圧電アクチュエータに用いられるPZT膜は、合計で4〜5μm程度の膜厚が必要であり、スパッタ法等のドライ成膜法を用いた場合、PZT膜は柱状結晶構造を伴って成長する（図５Ｂ参照）。

【0056】

また、PZTは圧電定数ｄ_３１が大きく、成膜条件の最適化により応力を制御することができ、厚膜化しても膜の剥離が起こりにくいという特長がある。一方で、連続して成長させたPZT膜は、その柱状結晶構造に沿う形で、成分の１つであるPb（鉛）２８が拡散し（図５Ｂ参照）、膜厚方向に連続した電気的欠陥が形成されることもある。このような欠陥が繋がると、リーク電流の通過するリークパスとなる。

【0057】

また、PZT膜の厚膜化に伴い表面凹凸が増加し、凹凸部に電界が集中して絶縁破壊することがある。さらに、圧電アクチュエータを動作させた場合、亀裂が発生して、空気中の水分等が膜中に浸透し易くなる。

【0058】

以上の問題を解決するため、PZT膜２５ａ上に導電性酸化物によるSRO膜２６（50nm）を成膜し（本発明の「導電性薄膜」に相当）、さらにPZT膜２５ｂ（2μm）を重ねる。このように、順次積層したPZT膜２５ａとSRO膜２６とPZT膜２５ｂとで、本発明の積層体が構成される。

【0059】

また、詳細は後述するが、このような積層を複数回繰り返してもよい。そして、最後にPt膜２７（150nm）による上部電極UE（Upper Electrode）を作り、最終的な厚みが４μm相当の積層構造とする。

【0060】

ここで、PZT膜２５ａ、２５ｂの間に形成するSRO膜２６は、下部電極LE及び上部電極UEと電気的な接続を行わない。このようなSRO膜２６の中間層として設けることで、PZT膜２５ａの柱状結晶構造は、その連続性が分断されるので、膜を貫通するリークパスを減少させることができる。

【0061】

また、本実施形態のPZT膜２５ａ、２５ｂは、従来のものと比較して膜厚が薄いため表面凹凸が小さく、平坦な表面となる。これにより、圧電アクチュエータを動作させたとき、電界が集中して絶縁破壊が起きたり、亀裂が発生する確率が小さくなる。すなわち、PZT膜の信頼性が向上する。

【0062】

上記のPZT膜、SRO膜を形成する繰り返し回数は一例に過ぎず、少なくとも一度、PZT膜の成膜を中断し、SRO膜を成膜すればよい。また、単にPZT膜の成膜を中断した場合には、膜表面からPbが再蒸発して組成がずれ、圧電特性が低下することがある。しかし、ここでは、導電性のSRO膜がPZT膜を覆う形になるので、上記のような特性低下の懸念もない。

【0063】

また、SRO膜にPZT膜を再度重ねることになるが、SRO膜はPZT膜と同じペロブスカイト構造で、格子定数も近いので、結晶性の良いPZT膜が成長する。このため、膜厚の薄いPZT膜の成長表面と同等の平坦さで、比較的厚みのある積層構造を得ることができる。ペロブスカイト構造の導電性酸化膜としては、LNO（ニッケル酸ランタン）やBRO（ルテニウム酸バリウム）等もあり、これらも使用可能である。

【0064】

圧電膜の組成を成膜の途中で切替える方法や、同じ結晶構造の２元酸化物（例えば、PbTiO₃、PT）を積層するような従来からある方法に比べ、本実施形態では、キャパシタの積層によるPZT膜の内部電界ロスが原理上発生しない。従って、圧電定数ｄ_３１が最も高くなる組成の成膜条件でPZT膜を成膜しながら、高特性圧電膜に見られる結晶粒界に沿った電気的欠陥や表面凹凸による電界集中によるリークおよび絶縁破壊、亀裂進行による特性劣化の問題を抑制できる。

【0065】

成膜方法については、PZT等の圧電膜は、後述する反応性アーク放電イオンプレーティング法、SRO等の導電性酸化物膜は、後述するRFマグネトロンスパッタ法が好ましい。トータルの成膜効率を高めるためには、上記２つの成膜装置が共通のロードロック室で接続されていることが望ましい。ロードロック室を設けることで、ゲートバルブの開閉によって基板を真空内で移動させることができる。

【0066】

また、中間層として導電性酸化物膜（例えば、SRO膜）の膜厚は100nm以下が望ましく、50nm以下が好適である。100nmを超える膜厚になると、圧電膜の成長に悪影響を及ぼす懸念があるためである。

【0067】

次に、図６を参照して、圧電アクチュエータ駆動用の電極及び導電性薄膜（中間層）の作成方法を説明する。なお、基板は、活性層の厚みが50μm、埋込み酸化膜層の厚みが２μm、支持層の厚みが400μmのSOIウエハ表面に、拡散炉によって厚さ500μmのSiO₂膜（シリコン酸化膜）を成膜したものを用いた。

【0068】

図６は、今回使用したRFマグネトロンスパッタ装置（以下、スパッタ装置という）の概略図である。ここでは、１つのターゲットがしか示されていないが、実際には、３つのターゲットを切替えて使用することができる。

【0069】

また、DC/RF電源（図示省略）は、３つのターゲットに対して独立的にDCバイアス、RFバイアスを選択して印加することができる。本実施形態では、このスパッタ装置１００を用いて、SiO₂膜に対する密着層であるTi膜、その上層のPt膜、その上層のSRO膜を順次成膜して下部電極LEを作る（図５Ａ参照）。

【0070】

ターゲット１０１は下部電極用の成膜ターゲットであり、３つのターゲットのうちの１つを、マッチング回路を通じてスパッタ用DC/RF電源に接続する。基板ホルダ１０２は陽極となる基板ホルダであり、基板１０３を固定する。基板加熱機構１０４は、インコネル製シースヒータの輻射により基板ホルダ１０２を加熱し、これを通して基板１０３を加熱することができる。

【0071】

また、基板ホルダ１０２は、基板ホルダ用回転軸１０５を中心に回転するので、基板面内は均一な膜厚分布が得られる。シャッタ１０６は、ターゲット１０１と基板１０３との空間に入ると、基板１０３に薄膜が形成されない遮蔽部材である。また、シャッタ１０６と接続されたシャッタ用回転軸１０７を回転させ、シャッタ１０６をターゲット１０１と基板１０３との空間を遮らない位置に移動させることで、薄膜が形成されるようになる。

【0072】

以上で説明したスパッタ装置１００の部材１０１〜１０７は、スパッタ室１００’の内部にある。スパッタ室１００’内には、スパッタガスを供給するスパッタガス供給口１０８から、ガス供給量を制御できるマスフロー（図示省略）を通してスパッタガス（Ar）を取り込む。そして、排気量をコントロールできる排気装置（図示省略）に接続されている排気口１０９からスパッタガスを排気し、一定ガス圧下でのスパッタ成膜が可能となる。

【0073】

今回、基板加熱機構１０４により、基板１０３を300℃に加熱した状態で、Ar/O₂=9:1、ガス圧0.5PaでDC電源によるDCプラズマでTi膜、Pt膜の順にスパッタ成膜した。次に、基板加熱機構１０４により、基板１０３を600℃に加熱して、RF電源によるRFプラズマでSRO膜をスパッタ成膜した。この時、Ar/O₂＝40：1、ガス圧は0.8Paとした。この成膜条件では、（110）方向に優先配向したSRO膜が得られた。

【0074】

その後、SRO膜を成膜した基板１０３を温度が300℃になるまで冷却して、同基板をスパッタ室１００’から取り出し、後述するイオンプレーティング装置にセットした。

【0075】

次に、図７を参照して、圧電アクチュエータ駆動用の圧電膜の作成方法を説明する。図７は、反応性アーク放電イオンプレーティング装置２００（以下、イオンプレーティング装置という）の模式図である。本装置を用いて、ペロブスカイト型酸化物圧電体の代表例であるPZT膜を成膜した。以下、その詳細を説明する。

【0076】

蒸発源の材料として、Pb、Zr、Tiの各金属チャンク２０１を用い、電子ビーム加熱により各々独立に蒸発させた。各金属の蒸発量は水晶振動式膜厚センサ（図示省略）によってモニタし、電子ビーム加熱源の出力をフィードバック制御することにより、所定の蒸発量で一定に制御した。

【0077】

本実施形態では、PZT膜の組成をPb(Zr_xTi_1-x)O₃（x=0.52）に調整した。そして、圧力勾配型アーク放電プラズマガン２０２に100sccmのHeをキャリアガスとして導入し、直流バイアス電圧を印加することにより、アーク放電を発生させた。放電電圧は120V、放電電流は70Aで制御した。このアーク放電で生成した高密度プラズマ（プラズマ密度＞10¹² cm^-3）を、プラズマ制御用の磁場発生源によって生じた約300Gaussの磁場によって真空容器２００’内に導いた。

【0078】

この状態で、ガス供給口２０３よりO₂を反応ガスとして300sccm導入することにより、真空容器２００’内に高密度の酸素プラズマ及び酸素ラジカルを生成した。上記のHeとO₂の混合プラズマの存在下、ガス圧0.1Paで、基板加熱ヒータ２０４により600℃に加熱した基板２０５（基板１０３と同じ）上に原料金属を電子ビーム加熱蒸発させ、さらに酸素ラジカルと反応させて、基板２０５上にPZT膜を成長させた。

【0079】

本実施形態では、PZT膜の厚みが2μmになった時点でPZT膜の成膜を一旦停止し、基板２０５の温度が300℃になるまで冷却してから、前述のスパッタ装置１００でSRO膜を下部電極LEの作成時と同一条件で50nm成膜し、再度、イオンプレーティング装置２００に戻して、同一条件で2μmのPZT膜を成膜し、合計が4μm相当の積層構造を作った。

【0080】

本実施形態の積層構造を表面及び断面SEM観察で評価した結果、柱状結晶構造の連続性が中間層のSRO膜で遮断され、膜を貫通する形の柱状結晶は見られなくなった。表面粗さも従来のPeak to Valley (PV)が200nmから50nmに低減した。

【0081】

最後に、図８Ａ〜８Ｃを参照して、本発明の積層体及び光スキャナの製造方法を説明する。なお、以下の各工程の説明図は、全て１つの光スキャナのチップ断面に対応したものである。

【0082】

まず、図８Ａに示すように、SOIウエハ２０の両面に熱酸化膜、すなわちSiO₂膜２１、２１’をそれぞれ500nm成膜する（図８Ａ（１））。なお、このSOIウエハ２０は、基板自体に、活性層２０ａ、SiO₂による埋込み酸化膜層２０ｂ及び支持層２０ｃを有している。

【0083】

次に、SOIウエハ２０の表面側に、下部電極LEを構成するTi膜２２（50nm）、Pt膜２３（150nm）及びSRO膜２４（100nm）を順次、スパッタ法により成膜する。その後、イオンプレーティング法に切替えてPZT膜２５ａ（2μm）を下部電極LE上に成膜し、さらにスパッタ法に切替えてSRO膜２６（50nm）を成膜する。

【0084】

その後、再びイオンプレーティング法によりPZT膜２５ｂ（2μm）を成膜して、合計で4μm相当の膜厚の積層構造とする。最後に、PZT膜の上に上部電極UEを構成するPt膜２７（150nm）をスパッタ法により成膜する（図８Ａ（２））。

【0085】

次に、SOIウエハ２０の表面側に対し、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、可動枠２ａの外側の圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ、及び可動枠２ａ内でマイクロミラー９を駆動させる圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂに対応するパターンを形成する。

【0086】

まず、上部電極UEのPt膜２７、PZT膜２５ａ、２５ｂ及びSRO膜２６のパターニングを行い、圧電アクチュエータ６ａ、６ｂの上部電極、PZT膜及び圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂの上部電極、PZT膜のパターンを形成する。同様に、各圧電アクチュエータの下部電極となる薄膜２２〜２４、及びその下層のSiO₂膜２１もパターニングを行い、各圧電アクチュエータのパターンを形成する（図８Ａ（３））。

【0087】

その後、SOIウエハ２０の表面全体に、プラズマCVDよりSiO₂膜２９（500nm）を成膜する。さらに、ウエハ表面にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、ドライエッチングで一部のSiO₂膜２９を除去して下部電極及び上部電極に対応するコンタクトホール２９’を形成する。単結晶シリコンを加工する箇所についても、ドライエッチングによりSiO₂膜２９を除去する（図８Ａ（４））。

【0088】

続いて、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、AlCu合金膜３０（1%Cu）をスパッタ法により成膜し、リフトオフにより配線パターンを形成する（図８Ａ（５））。これにより、各圧電アクチュエータの上部電極及び下部電極は、AlCu合金膜３０の配線を介して外枠支持体１１の電極パッド７、８へ電気的に接続される。

【0089】

次に、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、Ti膜３１、Ag膜３２の順にスパッタ法により成膜し、リフトオフによりマイクロミラー９の反射層を形成する（図８Ａ（６））。ここまでの工程で、Deep-RIE（深掘り反応性イオンエッチング）によるシリコン加工の前工程が完了する。

【0090】

次に、図８Ｂを参照して、その後のSOIウエハ２０の加工工程について説明する。まず、SOIウエハ２０の活性層２０ａをDeep-RIEでエッチングして、マイクロミラー９や各圧電アクチュエータの素子構造を形成する（図８Ｂ（７））。

【0091】

次に、加工した活性層２０ａ上にスピンナ装置等を用いて液状ワックスを塗布し、エッチングによりできた段差を埋めて平坦なワックス層３３を形成する。さらに、100〜150℃に加熱したSOIウエハ２０のワックス層３３上に支持ウエハ３４を置き、適切な加重をかけながら冷却することで仮接合する（図８Ｂ（８））。このとき、真空中で貼り合わせると空気ボイドを含まない良好な接合状態とすることができる。

【0092】

その後、SOIウエハ２０の支持層２０ｃをDeep-RIEでエッチングして、ミラー裏面のリブ構造３５とマイクロミラー９の揺動空間を形成する（図８Ｂ（９））。さらに、緩衝酸化物エッチング溶液によりエッチングして、埋込み酸化膜層２０ｂも除去する（図８Ｂ（１０））。

【0093】

続いて、図８Ｃに示すように、支持ウエハ３４の上面にUV（Ultra Violet）タイプのダイシングテープ３６（以下、UVテープという）を貼り付ける（図８Ｃ（１１））。さらに、SOIウエハ２０の支持層２０ｃ裏面側を上にしてブレードダイシング装置にて、ダイシングラインＤＬに沿って、仮接合した支持ウエハ３４ごと個々のチップにフルダイスする（図８Ｃ（１２））。

【0094】

その後、別のUVテープ３６’をSOIウエハ２０の支持層２０ｃ側に貼り付け、支持ウエハ３４側に貼り付けたUVテープ３６に関しては、UV光（紫外線）を照射して剥離、除去する（図８Ｃ（１３））。この２つの工程によりUVテープを載せ替えたことになる。

【0095】

その後、載せ替えたUVテープ３６’ごとSOIウエハ２０をIPA（Isopropyl Alcohol）溶液に浸漬する。数10分から数時間の浸漬により液状ワックスがIPA溶液に溶解し、SOIウエハ２０に仮接合された支持ウエハ３４が剥離、除去される（図８Ｃ（１４））。

【0096】

最後に、UVテープ３６’ごとSOIウエハ２０をIPA等の有機溶液で洗浄、乾燥することにより、UVテープ３６’上にMEMS光スキャナチップが整列した状態のワークが得られる（図８Ｃ（１５））。

【0097】

完成したMEMS光スキャナの動作特性を評価したところ、従来構造のPZT膜（SRO膜が無く、厚みが約4μm）を用いていたときに観測された連続動作時の絶縁破壊の不良率20％が本発明の積層体（SRO積層PZT膜）では10%以下になり、不良率が半減した。PZT膜に高電界を印加することが必要な非共振駆動に対して、SRO積層PZT膜は信頼性の向上に著しく貢献する結果となった。

【0098】

なお、上記の動作特性の評価では、印加電圧Vpp=60V（0〜60V）、周波数f=60Hz、デューティ比8:2のノコギリ波を印加した。不良判定基準は、電圧印加時の電流値が1.3×10^-6A/cm²を超えたとき絶縁破壊の開始と判定し、１０個のサンプルで評価した。

【0099】

［第２実施形態］
次に、図９Ａ、９Ｂを参照して、本発明の積層体の別形態について説明する。

【0100】

第２実施形態では、第１実施形態と同一条件で下部電極LE（Ti膜２２、Pt膜２３、SRO膜２４）、PZT膜２５ａ〜２５ｃ及びSRO膜２６ａ、２６ｂを成膜しているが、PZT膜２５ａ〜２５ｃの１層当たりの膜厚を第１実施形態のPZT膜よりも薄い1.5μmとし、SRO膜（50nm）を２回成膜した構造となっている。これにより、合計の積層構造の厚みは、4.5μm相当にすることができる。

【0101】

第２実施形態の積層構造をSEM観察にて評価した結果、膜を貫通する形の柱状結晶は見られず、表面粗さが第１実施形態よりも小さいPV＝30nmに低減した。また、4.5μmの厚膜としては、非常に平坦な表面構造を得ることができた。

【符号の説明】

【0102】

１…光スキャナモジュール、２…二次元光偏向器（光スキャナ）、２ａ…可動枠、３…レーザ光源、４ａ，４ｂ…レーザ光、５…制御装置、６ａ，６ｂ…蛇腹状圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、７ａ〜７ｅ…電極パッド、８ａ〜８ｅ…電極パッド、９…マイクロミラー（ミラー部）、１０ａ，１０ｂ…半環状圧電アクチュエータ、１１…外枠支持体、１３ａ，１３ｂ…トーションバー、１４ａ，１４ｂ…固定バー、１８…分断溝、１００…スパッタ装置、２００…イオンプレーティング装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】