JP3068901B2 - Thin film preparation method - Google Patents

Thin film preparation method

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JP3068901B2
JP3068901B2 JP21360891A JP21360891A JP3068901B2 JP 3068901 B2 JP3068901 B2 JP 3068901B2 JP 21360891 A JP21360891 A JP 21360891A JP 21360891 A JP21360891 A JP 21360891A JP 3068901 B2 JP3068901 B2 JP 3068901B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、表面弾性波素子、圧電
アクチュエータ、電気光学素子、誘電体メモリなどの素
子に使用される圧電性、誘電性を有する薄膜の作製方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a thin film having piezoelectricity and dielectric properties for use in devices such as surface acoustic wave devices, piezoelectric actuators, electro-optic devices, and dielectric memories.

【0002】[0002]

【従来の技術】表面弾性波素子、圧電アクチュエータ、
電気光学素子、誘電体メモリなどの素子に使用される圧
電性、誘電性を有する薄膜材料としては、ZnO,Al
N,Ta 25,PbTiO3,Bi4Ti312,BaTi
3,SrTiO3,PZT[Pb(Ti,Zr)O3],Li
NbO3などが知られている。これら薄膜材料は、CV
D法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビーム蒸着法な
どの方法によって薄膜に形成され、上述のような素子に
加工される。これら素子では、圧電性、誘電性を有する
薄膜内での分極軸の配向方向が所定の方向であって分極
軸の配向が揃っていることが重要であり、上記の方法な
どによって、分極軸の配向度の高い薄膜が作製されてい
る。
2. Description of the Related Art Surface acoustic wave devices, piezoelectric actuators,
Pressure used for elements such as electro-optical elements and dielectric memories
As a thin film material having electrical and dielectric properties, ZnO, Al
N, Ta TwoOFive, PbTiOThree, BiFourTiThreeO12, BaTi
OThree, SrTiOThree, PZT [Pb (Ti, Zr) OThree], Li
NbOThreeEtc. are known. These thin film materials are CV
D method, sputtering method, vacuum evaporation method, ion beam evaporation method
Which method is used to form a thin film
Processed. These elements have piezoelectric and dielectric properties
When the orientation direction of the polarization axis in the thin film is
It is important that the axes are aligned,
In some cases, thin films with a high degree of polarization axis orientation have been fabricated.
You.

【0003】ここで、分極軸の配向方向とは、各ドメイ
ンごとの分極軸が全体として向いている方向のことであ
り、配向度とは、各ドメインごとの分極軸の方向が前記
配向方向にどの程度揃っているかを表わす尺度である。
一般に、分極軸の配向方向は薄膜材料と基体の材質など
によって規定される。
Here, the orientation direction of the polarization axis is a direction in which the polarization axis of each domain is oriented as a whole, and the degree of orientation is such that the direction of the polarization axis of each domain is in the orientation direction. It is a scale that indicates how much they are complete.
Generally, the orientation direction of the polarization axis is determined by the material of the thin film and the material of the substrate.

【0004】これら薄膜において、配向方向の分極軸の
並びを制御し電気機械結合係数を向上させる方法とし
て、薄膜作製時に基板の面内方向に電界を印加する方法
(特開昭62-81076号公報)が行われている。また、分極
軸の配向方向を反転させる方法として、LiNbO3
に対して、Tiを熱拡散させる方法およびキュリー点に
近い温度での熱処理を行う方法が行われている(電子情
報通信学会技術研究報告US86−18)。
As a method of controlling the alignment of the polarization axes in the orientation direction in these thin films and improving the electromechanical coupling coefficient, a method of applying an electric field in the in-plane direction of the substrate during the production of the thin film (Japanese Patent Laid-Open No. 62-81076) ) Has been done. Further, as a method of reversing the orientation direction of the polarization axis, a method of thermally diffusing Ti and a method of performing a heat treatment at a temperature close to the Curie point on a LiNbO 3 plate are performed (Technical Research of IEICE) Report US86-18).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】Tiを熱拡散させる方
法およびキュリー点に近い温度での熱処理を行う方法に
よる分極軸の配向方向の反転は、これを実現できる材料
がLiNbO3に限定されて他の材料に応用することが
困難であって、また薄膜の形態にした場合については検
討がなされていなかった。そして上述した従来の方法で
は、一般的には、原子の並びや分極軸の配向方向を制御
したり、配向方向を反転させたりすることが困難であ
る。
The reversal of the orientation direction of the polarization axis by the method of thermally diffusing Ti and the method of performing heat treatment at a temperature close to the Curie point is limited to LiNbO 3 because the material capable of realizing this is limited to LiNbO 3. However, it has been difficult to apply the method to the above-mentioned materials, and no study has been made on the case of forming a thin film. In the conventional method described above, it is generally difficult to control the arrangement of atoms and the orientation direction of the polarization axis, or to reverse the orientation direction.

【0006】本発明の目的は、分極軸の配向方向を制御
でき、かつ分極軸の配向方向の反転を実現できる薄膜作
製方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method for producing a thin film capable of controlling the orientation direction of the polarization axis and realizing reversal of the orientation direction of the polarization axis.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜作製方法
は、分極軸を有する薄膜を基体上に形成する薄膜作製方
法において、イオンビーム蒸着を用い、該イオンビーム
蒸着時のイオン化電流および/または加速電圧を変化さ
せることにより、前記薄膜中の前記分極軸の配向方向お
よび配向度を制御する。
According to the present invention, there is provided a thin film forming method for forming a thin film having a polarization axis on a substrate, the method comprising the steps of: using ion beam evaporation; The orientation direction and degree of orientation of the polarization axis in the thin film are controlled by changing the acceleration voltage.

【0008】[0008]

【作用】本発明は、イオンビーム蒸着を用いて分極軸を
有する薄膜の形成を行なった場合、この時のイオン化電
流および/または加速電圧を変化させることにより、分
極軸の配向方向を制御、反転させることができるという
新たな知見に基づくものである。本発明では、圧電性、
誘電性を持ちかつ自発分極を有する材料であれば特に材
料に限定されることなく、分極軸の配向方向の反転を行
うことができる。したがって、圧電材料などの薄膜にお
いて、同一の印加電界に対する変位方向を任意に変える
ことができる。ここでイオンビーム蒸着とは、蒸発源か
らの蒸発分子あるいは蒸発原子の一部をイオン化させ、
加速電圧を印加して蒸着を行なう方法のことである。イ
オン化は一般に、蒸発分子あるいは蒸発原子に荷電粒子
を照射することによって行なわれるから、この荷電粒子
の電流をイオン化電流と称する。プラズマ放電によって
イオン化を行なう場合には、このプラズマ放電の電流を
イオン化電流とみなすことができる。
According to the present invention, when a thin film having a polarization axis is formed using ion beam evaporation, the orientation direction of the polarization axis is controlled and inverted by changing the ionization current and / or acceleration voltage at this time. It is based on a new finding that it can be done. In the present invention, piezoelectric,
The material is not particularly limited as long as it has dielectric properties and has spontaneous polarization, and the orientation direction of the polarization axis can be inverted. Therefore, in a thin film such as a piezoelectric material, the direction of displacement with respect to the same applied electric field can be arbitrarily changed. Here, ion beam deposition means that some of the evaporated molecules or atoms from the evaporation source are ionized,
This is a method of performing evaporation by applying an acceleration voltage. Generally, ionization is performed by irradiating charged particles to evaporated molecules or atoms, and the current of the charged particles is referred to as ionization current. When ionization is performed by plasma discharge, the current of this plasma discharge can be regarded as ionization current.

【0009】ここで、本発明の作用を説明するため、本
発明に至る研究の過程について説明する。まず、分極軸
の配向方向を反転させて圧電材料薄膜を形成した実験に
ついて述べる。
Here, in order to explain the function of the present invention, a description will be given of a research process leading to the present invention. First, an experiment in which the orientation direction of the polarization axis is reversed to form a piezoelectric material thin film will be described.

【0010】図1は、この実験に用いたイオンビーム蒸
着装置の一例の構成を示す概略断面図である。排気可能
な真空容器1の底部には、るつぼと加熱手段とからなる
蒸発源5が設けられ、蒸発源5に対向するようにして真
空容器1の内部には、薄膜の形成される基板4を下向き
に保持するための基板ホルダ3が設けられている。基板
ホルダ3は導電性であって、このため基板4は基板ホル
ダ3と同電位に保たれる。蒸発源5に近接して、蒸発源
5からの蒸発分子あるいは蒸発原子の一部をイオン化す
るための電子線を放出する電子放出源6、加速電極7が
設けられている。加速電極7は、一般的には基板ホルダ
3と同電位に保たれる。また、真空容器1内にガスを導
入するための先端が開口したガス導入管2が設けられて
いる。ガス導入管2の他端は図示しないガス供給源に接
続されている。さらに、蒸発源5と基板ホルダ3は、イ
オンビーム蒸着における加速電圧を印加するための電源
8の両極にそれぞれ接続されている。この電源8は、図
1においては蒸発源5側が正、基板ホルダ3側が負とな
っているが、正負の極性および電圧を変えることができ
るものである。以下の説明において、加速電圧が正と
は、基板ホルダ3に対し蒸発源5側が正になっているこ
とであり、加速電圧が負とは、蒸発源5側が負になって
いることと定義する。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of an example of the ion beam evaporation apparatus used in this experiment. An evaporation source 5 including a crucible and a heating means is provided at the bottom of the vacuum vessel 1 capable of evacuating, and a substrate 4 on which a thin film is formed is placed inside the vacuum vessel 1 so as to face the evaporation source 5. A substrate holder 3 for holding the substrate downward is provided. The substrate holder 3 is conductive, so that the substrate 4 is kept at the same potential as the substrate holder 3. An electron emission source 6 that emits an electron beam for ionizing a part of evaporated molecules or atoms from the evaporation source 5 and an acceleration electrode 7 are provided near the evaporation source 5. The accelerating electrode 7 is generally kept at the same potential as the substrate holder 3. Further, a gas introduction pipe 2 having an open end for introducing gas into the vacuum vessel 1 is provided. The other end of the gas introduction pipe 2 is connected to a gas supply source (not shown). Further, the evaporation source 5 and the substrate holder 3 are respectively connected to both poles of a power supply 8 for applying an acceleration voltage in ion beam evaporation. In FIG. 1, the power source 8 is positive on the evaporation source 5 side and negative on the substrate holder 3 side, but can change the polarity and voltage of positive and negative. In the following description, a positive acceleration voltage means that the evaporation source 5 side is positive with respect to the substrate holder 3, and a negative acceleration voltage is defined as that the evaporation source 5 side is negative. .

【0011】なお真空容器1は不図示の排気装置により
排気することができ、基板4の温度、蒸発源5の温度、
電子放出源6から放出される電子線の電流すなわちイオ
ン化電流、ガス導入管2から真空容器1内に導入される
ガス流量は、不図示の制御装置により、それぞれ独立に
制御することができるようになっている。
The vacuum vessel 1 can be evacuated by an exhaust device (not shown), and the temperature of the substrate 4, the temperature of the evaporation source 5,
The current of the electron beam emitted from the electron emission source 6, that is, the ionization current, and the flow rate of the gas introduced into the vacuum vessel 1 from the gas introduction pipe 2 can be independently controlled by a controller (not shown). Has become.

【0012】(実験1)代表的な圧電材料のひとつであ
るAlNを用いて、図2に示すような5層構造のバイモ
ルフタイプの薄膜カンチレバー型変位素子10を作製し
た。この薄膜カンチレバー型変位素子10は、基板4の
上に、Cr/Auの積層膜からなる膜厚0.1μmの下
部電極11、AlNからなる膜厚0.3μmの下部圧電
体薄膜12、Auからなる膜厚0.1μmの中電極1
3、AlNからなる膜厚0.3μmの上部圧電体薄膜1
4、Auからなる膜厚0.1μmの上部電極15を順次
積層させたものであり、下部電極11の下にあたる部位
の基板4は大きくえぐられていて、下部電極11はその
一方の端部付近でのみ基板4と接するようになってい
る。薄膜カンチレバー型変位素子10の寸法は、長さ
(図示横方向)200μm、幅(図示奥行き方向)50
μmとした。下部電極11、中電極13、上部電極15
は、それぞれ通常の抵抗加熱蒸着で成膜されている。ま
た下部誘電体薄膜12および上部誘電体薄膜14は、上
述のイオンビーム蒸着装置を用いたイオンビーム蒸着に
よって、同一の成膜条件で成膜されている。
(Experiment 1) A bimorph-type thin-film cantilever-type displacement element 10 having a five-layer structure as shown in FIG. 2 was manufactured using AlN which is one of the typical piezoelectric materials. This thin-film cantilever-type displacement element 10 is composed of a lower electrode 11 of 0.1 μm in thickness made of a laminated film of Cr / Au, a lower piezoelectric thin film 12 of 0.3 μm in thickness of AlN, and Au on a substrate 4. Middle electrode 1 with a thickness of 0.1 μm
3. Upper piezoelectric thin film 1 made of AlN and having a thickness of 0.3 μm
4. An upper electrode 15 made of Au and having a thickness of 0.1 μm is sequentially laminated, and the substrate 4 under the lower electrode 11 is largely cut away, and the lower electrode 11 is located near one end thereof. Only in contact with the substrate 4. The dimensions of the thin film cantilever type displacement element 10 are 200 μm in length (lateral direction in the drawing) and 50 μm in width (depth direction in the drawing).
μm. Lower electrode 11, middle electrode 13, upper electrode 15
Are formed by ordinary resistance heating evaporation. The lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14 are formed under the same film forming conditions by ion beam evaporation using the above-described ion beam evaporation apparatus.

【0013】ここで、下部誘電体薄膜12と上部誘電体
薄膜14の成膜条件について詳しく説明する。まず、蒸
着源5に薄膜の原料物質であるAlを充填し、真空容器
1内を排気した。そののち蒸発源5内のAlを加熱して
蒸発させ、さらにガス導入管2からNH3ガスを流量1
0ml/minで導入して基板4の表面に吹きつけなが
ら、イオン化電流を50mAとし加速電圧を+0.5k
Vとしてイオンビーム蒸着を行なった。このときの基板
4の温度は200℃とした。なおこのとき、基板ホルダ
3と加速電極7とが接地されるようにした。
Here, the conditions for forming the lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14 will be described in detail. First, the evaporation source 5 was filled with Al, which is a raw material of a thin film, and the inside of the vacuum vessel 1 was evacuated. After that, the Al in the evaporation source 5 is heated and evaporated, and NH 3 gas is further supplied from the gas introduction pipe 2 at a flow rate of 1.
While introducing at 0 ml / min and spraying on the surface of the substrate 4, the ionization current is set to 50 mA and the acceleration voltage is set to +0.5 k.
As V, ion beam evaporation was performed. At this time, the temperature of the substrate 4 was 200 ° C. At this time, the substrate holder 3 and the acceleration electrode 7 were grounded.

【0014】このようにして作製した薄膜カンチレバー
型変位素子10について、下部電極15と上部電極17
とを短絡して接地し、中電極16に+2Vの電圧を印加
したところ、素子の先端部20は上方に1μm変位し
た。また、同様に−2Vの電圧を印加した場合、下方に
1μm変位した。
With respect to the thin-film cantilever type displacement element 10 thus manufactured, the lower electrode 15 and the upper electrode 17
Were short-circuited to ground and a voltage of +2 V was applied to the middle electrode 16, and the tip 20 of the element was displaced upward by 1 μm. Similarly, when a voltage of −2 V was applied, the displacement was 1 μm downward.

【0015】(実験2)下部誘電体薄膜12と上部誘電
体薄膜14の成膜条件について、イオン化電流を100
mAとし、加速電圧を極性を逆転して−0.5kVとし
た以外は上述と同様にして、薄膜カンチレバー型変位素
子10を作製した。この薄膜カンチレバー型変位素子1
0に実験1と同じ+2Vの電圧を加えたところ、逆に下
方への1μmの変位が得られた。
(Experiment 2) The ionization current was set to 100 under the conditions for forming the lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14.
A thin-film cantilever-type displacement element 10 was produced in the same manner as described above except that the acceleration voltage was set to -0.5 kV by reversing the polarity. This thin film cantilever type displacement element 1
When the same +2 V voltage as in Experiment 1 was applied to 0, a downward displacement of 1 μm was obtained.

【0016】以上の実験1および実験2の結果から、イ
オン化電流と加速電圧を変化させることにより、分極軸
の配向方向が逆で、同等の圧電性を持つ薄膜が形成され
ることがわかった。
From the results of Experiments 1 and 2, it was found that by changing the ionization current and the accelerating voltage, a thin film having the same piezoelectricity was formed in which the polarization axes were oriented in opposite directions.

【0017】すなわち本発明は、図1に示した上述の装
置を用いた場合には、蒸発源5から薄膜の原料物質を蒸
発させ、その原料物質の蒸気に対して電子放出源6より
電子線を照射してその一部をイオン化させ、加速電極7
および基板ホルダ3と蒸発源5との間の電位差(加速電
圧)によって上記イオンを加速して基板面に蒸着を行な
い薄膜を作製するものであって、この際、イオン化電流
および/または加速電圧を変化させることにより、分極
軸の並びすなわち配向度を制御するとともに分極軸の配
向方向を制御し、さらに分極軸の配向方向を反転して薄
膜を作製するものである。
That is, according to the present invention, when the above-described apparatus shown in FIG. 1 is used, the source material of the thin film is evaporated from the evaporation source 5 and the electron emission source 6 emits the electron beam from the source material vapor. To irradiate a part of it,
In addition, the above-mentioned ions are accelerated by a potential difference (acceleration voltage) between the substrate holder 3 and the evaporation source 5 to perform vapor deposition on the substrate surface to produce a thin film. By changing the orientation, the alignment of the polarization axes, that is, the degree of orientation is controlled, the orientation direction of the polarization axis is controlled, and the orientation direction of the polarization axis is reversed to produce a thin film.

【0018】作製する薄膜材料が複数の構成元素を含む
場合などには、必要に応じてイオンビーム蒸着装置に、
蒸発源、電子放出源、加速電極及び加速のための電源か
らなるイオンガン部を複数設けて用いることもできる。
If the thin film material to be manufactured contains a plurality of constituent elements, the ion beam
A plurality of ion gun units including an evaporation source, an electron emission source, an acceleration electrode, and a power supply for acceleration may be provided and used.

【0019】本発明を適用できる薄膜材料としては、前
述のAlNのほかにもZnO,Ta25,PbTiO3,B
4Ti312,BaTiO3,SrTiO3,PZT,LiN
bO 3などの圧電性、誘電性を持ちかつ自発分極を行う
材料であれば、特に限定されるものではない。薄膜材料
の原料物質として蒸発源から蒸発させるものは、上記薄
膜材料を構成する金属元素の単体もしくはその金属元素
の化合物の中から、融点、蒸気圧、蒸発源のるつぼなど
との反応性などを考慮して、適切なものを選べばよい。
As the thin film material to which the present invention can be applied,
In addition to the aforementioned AlN, ZnO, TaTwoOFive, PbTiOThree, B
iFourTiThreeO12, BaTiOThree, SrTiOThree, PZT, LiN
bO ThreeIt has spontaneous polarization, such as piezoelectric and dielectric properties
It is not particularly limited as long as it is a material. Thin film material
The material to be evaporated from the evaporation source as
Simple substance of the metal element constituting the film material or its metal element
Melting point, vapor pressure, evaporation source crucible, etc.
An appropriate one may be selected in consideration of the reactivity with the like.

【0020】PbTiO3などのように複数の金属元素
を含む薄膜材料を使用する場合には、好ましくはその金
属元素の数だけイオンガン部を複数設けて用いるとよ
い。あるいは、この薄膜材料を構成する金属元素単体も
しくはその金属元素の化合物を適当な比率で混合し、単
一のイオンガン部より蒸着することも可能である。蒸発
源における加熱方法としては、抵抗加熱、電子ビーム加
熱、レーザー光線による加熱などを用いることができ
る。
When a thin film material containing a plurality of metal elements, such as PbTiO 3 , is used, it is preferable to use a plurality of ion gun sections provided by the number of the metal elements. Alternatively, a metal element alone or a compound of the metal element constituting the thin film material may be mixed at an appropriate ratio and deposited from a single ion gun portion. As a heating method in the evaporation source, resistance heating, electron beam heating, heating by a laser beam, or the like can be used.

【0021】本発明におけるイオン化の方法としては、
上述したような電子線の照射以外にも、プラズマ放電に
よるものなどがあり、特に方法は問わない。また、図1
に示したような装置を用いてイオンビーム蒸着を行うと
きの基板ホルダーおよび基板、蒸発源、加速電極への電
圧の印加方法は、一般には基板ホルダーおよび基板と加
速電極を接地して、蒸発源に電位を印加する方法を用い
るが、特にこれに限定されるものではない。
The ionization method in the present invention includes:
In addition to the electron beam irradiation as described above, there is a method using plasma discharge, and the method is not particularly limited. FIG.
The method of applying a voltage to the substrate holder, the substrate, the evaporation source, and the acceleration electrode when performing ion beam evaporation using the apparatus as shown in (1) is generally performed by grounding the substrate holder, the substrate, and the acceleration electrode. Is applied, but the method is not particularly limited to this.

【0022】本発明におけるイオン化電流および加速電
圧は、蒸発源から蒸発させる原料物質の種類、その蒸発
速度、基板温度などの諸条件により異なるが、好ましく
は概ね以下の範囲から選ぶ。
The ionization current and the accelerating voltage in the present invention vary depending on various conditions such as the kind of the raw material to be evaporated from the evaporation source, its evaporation rate, and the substrate temperature, but are preferably selected from the following ranges.

【0023】 イオン化電流:0〜500mA 加速電圧 :−10kV〜+10kV イオン化電流および加速電圧は、いずれも大きくしすぎ
ると、イオンのエネルギーおよび密度が大きくなりすぎ
ていわゆるイオンエッチングを実施しているのと同じこ
とになる。その結果、薄膜の結晶性が低下したり、薄膜
の堆積が起らなくなったりする。このため、このような
好ましくない現象が起きない範囲で、必要な結晶性の薄
膜が得られるような値にイオン化電流と加速電圧を設定
する。
Ionization current: 0 to 500 mA Acceleration voltage: -10 kV to +10 kV If both the ionization current and the acceleration voltage are too large, the energy and density of ions become too large, and so-called ion etching is performed. It will be the same. As a result, the crystallinity of the thin film is reduced, and deposition of the thin film does not occur. For this reason, the ionization current and the acceleration voltage are set to such a value that a necessary crystalline thin film is obtained within a range where such an undesirable phenomenon does not occur.

【0024】分極軸の配向方向の制御は、主に加速電圧
の値を変えることで行なう。さらには加速電圧の極性を
逆転することによっても行なえる。このとき、薄膜の結
晶性が変化する場合があるので、イオン化電流を変えて
結晶性の変化の補償を行なう。
The orientation of the polarization axis is controlled mainly by changing the value of the acceleration voltage. Further, it can be performed by reversing the polarity of the acceleration voltage. At this time, since the crystallinity of the thin film may change, the change in the crystallinity is compensated by changing the ionization current.

【0025】イオンビーム蒸着装置の真空容器内に導入
されるガスは、作製する薄膜材料に応じて適当なものを
選ぶ。すなわち、ZnO,PbTiO3などの酸化物系の
薄膜を作製するときには、O2あるいO3,N2O,NO2,
酸素ラジカルなどを用い、AlNなどの窒化物系の薄膜
にはN2あるいはNH3などを用いる。さらにはこれらの
ガスを電離させてプラズマやイオンにしたものを導入し
てもよい。
The gas to be introduced into the vacuum vessel of the ion beam evaporation apparatus is appropriately selected depending on the thin film material to be produced. That is, when an oxide-based thin film such as ZnO or PbTiO 3 is formed, O 2 or O 3 , N 2 O, NO 2 ,
Oxygen radicals and the like are used, and N 2 or NH 3 is used for a nitride-based thin film such as AlN. Further, plasma or ions obtained by ionizing these gases may be introduced.

【0026】[0026]

【実施例】次に、本発明の薄膜作製方法の実施例につい
て具体的数値を挙げて説明する。
EXAMPLES Next, examples of the method for producing a thin film of the present invention will be described with specific numerical values.

【0027】(実施例1)図1を用いて上述したイオン
ビーム蒸着装置を用いて、代表的な圧電材料のひとつで
あるZnOを使用したの薄膜カンチレバー型変位素子を
作製した。なお、真空容器1は不図示の排気装置により
2×10-7Torr程度まで排気できるようになっている。
Example 1 A thin-film cantilever-type displacement element using ZnO, which is one of the typical piezoelectric materials, was manufactured using the ion beam evaporation apparatus described above with reference to FIG. The vacuum vessel 1 can be evacuated to about 2 × 10 −7 Torr by an exhaust device (not shown).

【0028】この薄膜カンチレバー型変位素子10は、
5層構造のバイモルフタイプのものであって上述の実験
1,2で作製したものとほぼ同様のものであり、その構
成が図2に示されている。この薄膜カンチレバー型変位
素子10は、Si単結晶からなる基板4の上に、Cr/
Auの積層膜からなる膜厚0.1μmの下部電極11、
ZnOからなる膜厚0.3μmの下部圧電体薄膜12、
Auからなる膜厚0.1μmの中電極13、ZnOから
なる膜厚0.3μmの上部圧電体薄膜14、Auからな
る膜厚0.1μmの上部電極15を順次積層させたもの
である。下部電極11、中電極13、上部電極15は、
それぞれ通常の抵抗加熱蒸着で成膜されている。また下
部誘電体薄膜12および上部誘電体薄膜14は、図1の
イオンビーム蒸着装置を用いたイオンビーム蒸着によっ
て、同一の成膜条件で成膜されている。この薄膜カンチ
レバー型変位素子10は、基板4の上にこれら各層を成
膜したのち、カンチレバー型にパターニングして形成し
た。パターニングにはフォトレジストを用い、反応性イ
オンエッチング装置によりCF4ガスを用いてドライエ
ッチングを行ない、その後レジストを剥離し、水酸化カ
リウム水溶液を用いて基板4の異方性エッチングを行な
って、素子として完成させた。薄膜カンチレバー型変位
素子10の寸法は、長さ(図示横方向)200μm、幅
(図示奥行き方向)50μmとした。
This thin film cantilever type displacement element 10
It is a bimorph type having a five-layer structure, which is almost the same as that produced in Experiments 1 and 2 described above, and the configuration is shown in FIG. The thin-film cantilever-type displacement element 10 has a Cr / Si
A lower electrode 11 made of a multilayer film of Au and having a thickness of 0.1 μm;
A 0.3 μm-thick lower piezoelectric thin film 12 made of ZnO;
A middle electrode 13 made of Au having a thickness of 0.1 μm, an upper piezoelectric thin film 14 made of ZnO having a thickness of 0.3 μm, and an upper electrode 15 made of Au having a thickness of 0.1 μm are sequentially laminated. The lower electrode 11, the middle electrode 13, and the upper electrode 15
Each is formed by normal resistance heating evaporation. The lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14 are formed under the same film forming conditions by ion beam evaporation using the ion beam evaporation apparatus shown in FIG. The thin-film cantilever-type displacement element 10 was formed by forming each of these layers on the substrate 4 and then patterning it into a cantilever type. For patterning, a photoresist was used, dry etching was performed using a CF 4 gas by a reactive ion etching apparatus, then the resist was peeled off, and the anisotropic etching of the substrate 4 was performed using an aqueous potassium hydroxide solution. It was completed as The dimensions of the thin film cantilever type displacement element 10 were 200 μm in length (horizontal direction in the drawing) and 50 μm in width (depth direction in the drawing).

【0029】次に、下部誘電体薄膜12と上部誘電体薄
膜14の成膜条件と薄膜カンチレバー型変位素子10の
変位特性との関係について詳しく説明する。これら各誘
電体薄膜12,14は、まず蒸着源5に薄膜の原料物質
であるZnを充填して真空容器1内を排気し,続いて蒸
発源5のZnを加熱して蒸発させ、さらにガス導入管2
からO2ガスを流量12ml/minで真空容器1内に
導入して基板4の表面に吹きつけながら、イオン化電流
と加速電圧を変化させて成膜した。このときの基板温度
は200℃とした。
Next, the relationship between the film forming conditions of the lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14 and the displacement characteristics of the thin film cantilever type displacement element 10 will be described in detail. Each of these dielectric thin films 12 and 14 is first filled with Zn, which is a raw material of the thin film, in the evaporation source 5 and the inside of the vacuum vessel 1 is evacuated. Then, the Zn in the evaporation source 5 is heated to evaporate. Introductory pipe 2
The O 2 gas was introduced into the vacuum vessel 1 at a flow rate of 12 ml / min, and was sprayed onto the surface of the substrate 4 while changing the ionization current and the acceleration voltage to form a film. The substrate temperature at this time was 200 ° C.

【0030】まず、上記の成膜条件においてイオン化電
流を50mA、加速電圧を+0.5kVとし、各誘電体
薄膜12,14の膜厚を0.3μmとして素子を作製し
た。作製されたカンチレバー型変位素子10の下部電極
11と上部電極15とを短絡して接地し、中電極13に
+2Vの電圧を印加したところ、素子の先端部20は上
方に2μm変位した。また、同様に−2Vの電圧を印加
した場合、下方に2μm変位した。
First, an element was manufactured under the above film forming conditions, with an ionization current of 50 mA, an acceleration voltage of +0.5 kV, and a thickness of each of the dielectric thin films 12 and 14 of 0.3 μm. When the lower electrode 11 and the upper electrode 15 of the fabricated cantilever-type displacement element 10 were short-circuited and grounded, and a voltage of +2 V was applied to the middle electrode 13, the tip 20 of the element was displaced upward by 2 μm. Similarly, when a voltage of −2 V was applied, the displacement was 2 μm downward.

【0031】一方、上記の成膜条件でイオン化電流を5
0mA、加速電圧を極性を逆転して−0.5kVとし、
膜厚を0.3μmとして素子を作製した場合、作製され
たカンチレバー型変位素子10の下部電極11と上部電
極15を短絡して接地し、中電極13に+2Vの電圧を
印加したところ、素子の先端部20は下方に1.5μm
変位した。また、同様に−2Vの電圧を印加した場合、
上方に1.5μm変位した。このように変位の方向が逆
転したことから、各誘電体薄膜の分極軸の配向方向が反
転していることが確認された。しかし、成膜時の加速電
圧を逆方向にかけたために誘電体薄膜内部での結晶配向
性が低下し、分極軸の並びが乱れ電気機械結合係数が低
下して、変位量が小さくなった。このためイオン化電流
を増やして100mAとして各誘電体薄膜12,14を
成膜したところ、同じ+2Vの印加電圧に対してやはり
下方に2μmの変位が得られ、分極方向が逆で、同等の
圧電性を持つ薄膜が形成されていることが確認された。
On the other hand, an ionization current of 5
0 mA, the acceleration voltage is -0.5 kV by reversing the polarity,
When a device was manufactured with a thickness of 0.3 μm, the lower electrode 11 and the upper electrode 15 of the manufactured cantilever type displacement device 10 were short-circuited and grounded, and a voltage of +2 V was applied to the middle electrode 13. The tip 20 is 1.5 μm downward.
Displaced. Similarly, when a voltage of -2 V is applied,
It was displaced 1.5 μm upward. Since the direction of displacement was reversed in this way, it was confirmed that the orientation direction of the polarization axis of each dielectric thin film was reversed. However, the application of the accelerating voltage during the film formation in the opposite direction reduced the crystal orientation inside the dielectric thin film, disordered the alignment of the polarization axes, reduced the electromechanical coupling coefficient, and reduced the displacement. For this reason, when the ionization current was increased to 100 mA to form each of the dielectric thin films 12 and 14, a displacement of 2 μm was also obtained downward with respect to the same +2 V applied voltage, the polarization direction was reversed, and the same piezoelectric property was obtained. It was confirmed that a thin film having the following was formed.

【0032】このように、イオン化電流と加速電圧を制
御することにより、薄膜の分極軸の並びを制御し、分極
軸の配向方向を制御し、さらに配向方向を反転して薄膜
を作製することができた。
As described above, by controlling the ionization current and the accelerating voltage, it is possible to control the alignment of the polarization axes of the thin film, control the orientation direction of the polarization axes, and further invert the orientation direction to produce the thin film. did it.

【0033】(実施例2)実施例1では、下部誘電体薄
膜12と上部誘電体薄膜14にZnOを用いたが、ここ
では強誘電体であるPbTiO3を用いて図2に示す構
成の薄膜カンチレバー型変位素子10を作製した。な
お、下部電極11にはTi/Pt積層膜、中電極13と
上部電極15にはPt膜を使用した。PbTiO3は金
属元素を2種含むので、蒸発源、電子放出源、加速電極
および加速のための電源からなるイオンガン部を2個有
するイオンビーム蒸着装置を用いて、各誘電体薄膜1
2,14を成膜した。
(Embodiment 2) In Embodiment 1, ZnO was used for the lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14. Here, a thin film having the structure shown in FIG. 2 was formed using PbTiO 3 which is a ferroelectric. A cantilever displacement element 10 was manufactured. Note that a Ti / Pt laminated film was used for the lower electrode 11, and a Pt film was used for the middle electrode 13 and the upper electrode 15. Since PbTiO 3 contains two kinds of metal elements, each of the dielectric thin films 1 is formed by using an ion beam deposition apparatus having two ion gun sections each including an evaporation source, an electron emission source, an acceleration electrode, and a power supply for acceleration.
2,14 were formed.

【0034】まず、このイオンビーム蒸着装置の構成に
ついて、図3を用いて説明する。排気可能な真空容器
1’の底部には、るつぼと加熱手段とからなる2個の蒸
発源5が設けられ、両方の蒸発源5に対向するようにし
て真空容器1’の内部には導電性の基板ホルダ3が設け
られている。基板ホルダ3は、薄膜の形成される基板4
を下向きに保持するためのものであり、基板4は基板ホ
ルダ3と同電位に保たれる。各蒸発源5に近接して、当
該蒸発源5からの蒸発分子あるいは蒸発原子の一部をイ
オン化するための電子線を放出する電子放出源6、加速
電極7がそれぞれ設けられている。加速電極7は、一般
的には基板ホルダ3と同電位に保たれる。また、真空容
器1’内にガスを導入するための先端が開口したガス導
入管2が設けられ、ガス導入管2の他端は図示しないガ
ス供給源に接続されている。さらに、各蒸発源5は、イ
オンビーム蒸着における加速電圧を印加するための各々
の電源8の一端にそれぞれ接続され、各電源8の他端は
基板ホルダ3に接続されている。各電源8の極性および
電圧は、任意に設定できるようになっている。また、真
空容器1’は不図示の排気装置により2×10-7Torr程
度まで排気することができ、基板4の温度、各蒸発源5
の温度、各電子放出源6におけるイオン化電流、ガス導
入管2からのガス流量は、不図示の制御装置によってそ
れぞれ独立に制御することができるようになっている。
First, the configuration of the ion beam evaporation apparatus will be described with reference to FIG. At the bottom of the evacuable vacuum vessel 1 ', two evaporation sources 5 including a crucible and a heating means are provided, and a conductive material is provided inside the vacuum vessel 1' so as to face both the evaporation sources 5. Substrate holder 3 is provided. The substrate holder 3 includes a substrate 4 on which a thin film is formed.
Is held downward, and the substrate 4 is kept at the same potential as the substrate holder 3. An electron emission source 6 for emitting an electron beam for ionizing a part of the evaporated molecules or atoms from the evaporation source 5 and an acceleration electrode 7 are provided near each evaporation source 5. The accelerating electrode 7 is generally kept at the same potential as the substrate holder 3. Further, a gas introduction pipe 2 having an open end for introducing gas into the vacuum vessel 1 'is provided, and the other end of the gas introduction pipe 2 is connected to a gas supply source (not shown). Further, each evaporation source 5 is connected to one end of each power supply 8 for applying an acceleration voltage in ion beam evaporation, and the other end of each power supply 8 is connected to the substrate holder 3. The polarity and voltage of each power supply 8 can be set arbitrarily. Further, the vacuum vessel 1 'can be evacuated to about 2 × 10 -7 Torr by an exhaust device (not shown).
, The ionization current in each electron emission source 6, and the gas flow rate from the gas introduction tube 2 can be independently controlled by a control device (not shown).

【0035】次に、本実施例の薄膜カンチレバー型変位
素子10の作製方法について説明する。まず、Siから
なる基板4の上に、通常のRFスパッタリングによって
膜厚0.1μmの下部電極11を成膜し、続いて図3の
装置によるイオンビーム蒸着によって下部誘電体薄膜1
2を成膜し、通常のRFスパッタリングによって膜厚
0.1μmの中電極13を成膜し、図3の装置によるイ
オンビーム蒸着によって上部誘電体薄膜14を成膜し、
最後に通常のRFスパッタリングによって膜厚0.1μ
mの上部電極15を成膜して5層構造を形成し、そのの
ち上述の実施例1と同様にしてカンチレバー型の素子に
加工した。各誘電体薄膜12,14の成膜条件は同一で
ある。薄膜カンチレバー型変位素子10の寸法は、長さ
(図示横方向)200μm、幅(図示奥行き方向)50
μmとした。
Next, a method of manufacturing the thin-film cantilever type displacement element 10 of this embodiment will be described. First, a lower electrode 11 having a thickness of 0.1 μm is formed on a substrate 4 made of Si by ordinary RF sputtering, and then the lower dielectric thin film 1 is formed by ion beam evaporation using the apparatus shown in FIG.
2, a middle electrode 13 having a thickness of 0.1 μm is formed by ordinary RF sputtering, and an upper dielectric thin film 14 is formed by ion beam evaporation using the apparatus shown in FIG.
Finally, the film thickness is 0.1 μm by ordinary RF sputtering.
The upper electrode 15 having a thickness of m was formed to form a five-layer structure, and then processed into a cantilever type element in the same manner as in Example 1 described above. The film forming conditions for the dielectric thin films 12 and 14 are the same. The dimensions of the thin film cantilever type displacement element 10 are 200 μm in length (lateral direction in the drawing) and 50 μm in width (depth direction in the drawing).
μm.

【0036】次に、下部誘電体薄膜12と上部誘電体薄
膜14の成膜条件と薄膜カンチレバー型変位素子10と
しての変位特性との関係について詳しく説明する。これ
ら各誘電体薄膜12,14は、まず図3に示した装置の
一方の蒸発源5に薄膜の原料物質のひとつであるPbO
を充填し、他方の蒸発源5にはもうひとつの原料物質で
あるTiを充填し、真空容器1’内を排気し、続いて各
蒸発源5を加熱してそれぞれの原料物質を蒸発させ、さ
らにガス導入管2からO2ガスを12ml/minの流
量で真空容器1’内に導入して基板4の表面に吹きつけ
ながら、イオン化電流と加速電圧を変化させて成膜し
た。このとき基板温度400℃とした。
Next, the relationship between the film forming conditions of the lower dielectric thin film 12 and the upper dielectric thin film 14 and the displacement characteristics of the thin film cantilever type displacement element 10 will be described in detail. Each of these dielectric thin films 12 and 14 is first supplied to one evaporation source 5 of the apparatus shown in FIG.
And the other evaporation source 5 is filled with Ti, which is another raw material, and the inside of the vacuum vessel 1 'is evacuated. Subsequently, each evaporation source 5 is heated to evaporate each raw material. Further, an O 2 gas was introduced into the vacuum vessel 1 ′ at a flow rate of 12 ml / min from the gas introduction pipe 2 and sprayed onto the surface of the substrate 4 while changing the ionization current and the acceleration voltage to form a film. At this time, the substrate temperature was set to 400 ° C.

【0037】まず、上記の成膜条件においてPbOおよ
びTiに対するイオン化電流をいずれも50mAとし、
加速電圧をいずれも+0.5kVとし、各誘電体薄膜1
2,14の膜厚を0.3μmとして薄膜カンチレバー型変
位素子10を作製した。作製された素子の下部電極11
と上部電極15を短絡して接地しかつ中電極13に+5
Vの電圧を印加したところ、素子の先端部20は上方に
7μm変位した。また、同様に−5Vの電圧を印加した
場合、下方に7μm変位した。
First, under the above film forming conditions, the ionization currents for PbO and Ti were both set to 50 mA.
The acceleration voltage was set to +0.5 kV, and each dielectric thin film 1
The thin film cantilever type displacement element 10 was manufactured by setting the film thicknesses of 2, 14 to 0.3 μm. Lower electrode 11 of fabricated device
And the upper electrode 15 are short-circuited to ground, and +5 is applied to the middle electrode 13.
When a voltage of V was applied, the tip 20 of the element was displaced upward by 7 μm. Similarly, when a voltage of −5 V was applied, the displacement was 7 μm downward.

【0038】一方、上記の成膜条件においてPbOおよ
びTiに対するイオン化電流をいずれも50mAとし、
加速電圧を極性を逆転させて−0.5kVとし、膜厚を
0.3μmとして薄膜カンチレバー型変位素子10を作
製し、作製された素子の下部電極11と上部電極15を
短絡して接地し、中電極13に+5Vの電圧を印加した
ところ、素子の先端部20は下方に4μm変位した。ま
た、同様に−5Vの電圧を印加した場合、上方に4μm
変位した。
On the other hand, under the above film forming conditions, the ionization currents for PbO and Ti were both 50 mA,
The acceleration voltage is reversed in polarity to −0.5 kV, the film thickness is set to 0.3 μm to produce a thin-film cantilever-type displacement element 10, the lower electrode 11 and the upper electrode 15 of the produced element are short-circuited and grounded, When a voltage of +5 V was applied to the middle electrode 13, the tip 20 of the element was displaced downward by 4 μm. Similarly, when a voltage of -5 V is applied, 4 μm
Displaced.

【0039】このように実施例1と同様に変位の方向が
逆転し、各誘電体薄膜の分極軸の配向方向が反転してい
ることが確認されたが、成膜時の加速電圧を逆方向にか
けたため各誘電体薄膜12,14における結晶の配向性
が低下し、分極軸の並びが乱れ電気機械結合係数が低下
して、変位量が小さくなった。このためイオン化電流を
増やして、PbO,Tiともに100mAとして各誘電
体薄膜12,14を成膜したところ、同じ+5Vの印加
電圧に対して、やはり下方に7μmの変位が得られ、分
極方向が逆で、同等の圧電性を持つ薄膜が作製できてい
ることが確認された。また、これら誘電体薄膜をPbT
iO3のキュリー温度である490℃以上に加熱して、
分極の消滅により発生する電流を測定したところ、逆方
向に電流が発生し圧電性の測定と同様に分極の反転が起
っていることが確認された。
As described above, the direction of displacement was reversed in the same manner as in Example 1, and it was confirmed that the orientation direction of the polarization axis of each dielectric thin film was reversed. As a result, the orientation of the crystals in each of the dielectric thin films 12 and 14 was reduced, the arrangement of the polarization axes was disturbed, the electromechanical coupling coefficient was reduced, and the displacement was reduced. Therefore, when the ionization current was increased and the dielectric thin films 12 and 14 were formed with PbO and Ti both set to 100 mA, a displacement of 7 μm was also obtained for the same applied voltage of +5 V, and the polarization direction was reversed. As a result, it was confirmed that a thin film having the same piezoelectricity was produced. In addition, these dielectric thin films are made of PbT
heated to 490 ° C. or higher, the Curie temperature of iO 3 ,
When the current generated by the disappearance of the polarization was measured, it was confirmed that a current was generated in the reverse direction and the reversal of the polarization occurred as in the measurement of the piezoelectricity.

【0040】このように、薄膜材料として強誘電体であ
るPbTiO3を用いた場合でもイオン化電流と加速電
圧を制御することにより、作製される薄膜の分極軸の並
びを制御し、分極軸の配向方向を制御し、さらに配向方
向を反転して薄膜を作製することができた。
As described above, even when PbTiO 3 , which is a ferroelectric, is used as the thin film material, the alignment of the polarization axes of the thin film to be formed is controlled by controlling the ionization current and the acceleration voltage, and the orientation of the polarization axes is controlled. The direction was controlled, and the orientation direction was further reversed, whereby a thin film could be produced.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、イオンビ
ーム蒸着を用い、この時のイオン化電流および/または
加速電圧を変化させることにより、分極軸の配向方向を
制御、反転させることができ、圧電性、誘電性を有する
薄膜を使用し各種の機能を有する素子を容易に製造でき
るようになるという効果がある。
As described above, according to the present invention, the orientation direction of the polarization axis can be controlled and reversed by using ion beam evaporation and changing the ionization current and / or acceleration voltage at this time. There is an effect that an element having various functions using a thin film having piezoelectricity and dielectric properties can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】イオンビーム蒸着装置の一例の構成を示す概略
断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of an example of an ion beam evaporation apparatus.

【図2】薄膜カンチレバー型変位素子の構成を示す概略
断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a configuration of a thin-film cantilever displacement element.

【図3】イオンビーム蒸着装置の別の一例の構成を示す
概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the configuration of another example of the ion beam evaporation apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1’ 真空容器 2 ガス導入管 3 基板ホルダ 4 基板 5 蒸発源 6 電子放出源 7 加速電極 8 電源 10 薄膜カンチレバー型変位素子 11 下部電極 12 下部圧電体薄膜 13 中電極 14 上部圧電体薄膜 15 上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1 'Vacuum container 2 Gas introduction tube 3 Substrate holder 4 Substrate 5 Evaporation source 6 Electron emission source 7 Acceleration electrode 8 Power supply 10 Thin film cantilever type displacement element 11 Lower electrode 12 Lower piezoelectric thin film 13 Middle electrode 14 Upper piezoelectric thin film 15 Upper electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−114786(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 41/24 C23C 14/00 H01L 21/203 ────────────────────────────────────────────────── (5) References JP-A-53-114786 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 41/24 C23C 14/00 H01L 21 / 203

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 分極軸を有する薄膜を基体上に形成する
薄膜作製方法において、 イオンビーム蒸着を用い、該イオンビーム蒸着時のイオ
ン化電流および/または加速電圧を変化させることによ
り、前記薄膜中の前記分極軸の配向方向および配向度を
制御することを特徴とする薄膜作製方法。
1. A method for forming a thin film having a polarization axis on a substrate, comprising the steps of: using ion beam deposition, changing an ionization current and / or an acceleration voltage during the ion beam deposition to form a thin film on the substrate. A method for producing a thin film, comprising controlling an orientation direction and a degree of orientation of the polarization axis.
【請求項2】 分極軸を有する薄膜を基体上に形成する
薄膜作製方法において、 イオンビーム蒸着を用い、該イオンビーム蒸着時のイオ
ン化電流および/または加速電圧を変化させることによ
り、前記薄膜中の前記分極軸の配向方向を反転させるこ
とを特徴とする薄膜作製方法。
2. A method for producing a thin film having a polarization axis on a substrate, comprising the steps of: using ion beam deposition, changing an ionization current and / or an acceleration voltage during the ion beam deposition to form a thin film on the substrate. A method for producing a thin film, comprising: inverting the orientation direction of the polarization axis.
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