CN103140601B - 电介质成膜装置和电介质成膜方法 - Google Patents

电介质成膜装置和电介质成膜方法 Download PDF

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Abstract

提供能够形成(100)/(001)取向的电介质膜的电介质成膜装置和电介质成膜方法。电介质成膜装置(10)具有加热配置在从靶(21)放出的粒子附着的位置的防附着板(34)的防附着板加热部(19)。从溅射气体导入部(14)向真空槽(11)内导入溅射气体，将防附着板(34)加热至比成膜温度高的温度，使蒸气从附着在防附着板(34)的薄膜放出，在基板(31)形成籽晶层后，使基板(31)为成膜温度，从电源(13)对靶(21)施加交流电压，对靶(21)进行溅射，以将电介质膜成膜于基板(31)。

Description

电介质成膜装置和电介质成膜方法
技术领域
本发明涉及电介质成膜装置和电介质成膜方法。
背景技术
目前，使用钛锆酸铅(Pb(Zr,Ti)O3、PZT)等强电介质的压电元件被应用于喷墨头、加速度传感器等MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术。
图4是示出(100)/(001)取向的PZT薄膜和(111)取向的PZT薄膜的压电特性的图形。已知(100)/(001)取向的PZT薄膜示出比(111)取向的PZT薄膜大的压电特性。
图6是以往的电介质成膜装置110的内部构成图。
电介质成膜装置110具有：真空槽111；PZT的靶121，配置在真空槽111内；基板保持台132，配置在与靶121对置的位置，保持基板131；基板加热部118，对保持在基板保持台132的基板131进行加热；溅射电源113，对靶121施加电压；溅射气体导入部114，向真空槽111内导入溅射气体；以及第一、第二防附着板134、135，在真空槽111内配置在从靶121放出的粒子附着的位置。
在形成压电元件的情况下，使用的结构为，在应该成膜的基板131，在带有热氧化膜的Si基板上，紧贴层即Ti薄膜、下部电极层即贵金属薄膜以该顺序预先层叠。贵金属薄膜是Pt或者Ir的薄膜，在(111)面优先取向。
基板加热部118具有发热部件133和加热用电源117。发热部件133配置在基板保持台132的与基板131相反一侧，加热用电源117与发热部件133电连接。
若直流电流从加热用电源117流至发热部件133，则发热部件133发热，基板保持台132上的基板131被加热。
图7示出使用以往的电介质成膜装置110的成膜方法中的发热部件133的温度变化。
首先，对发热部件133加热，升温至成膜时的温度即640℃并保持。
在靶121的与基板保持台132相反一侧的背面紧贴固定阴极电极122，溅射电源113与阴极电极122电连接。
若从溅射气体导入部114向真空槽111内导入溅射气体，从溅射电源113经由阴极电极122对靶121施加交流电压，则导入的溅射气体会被电离而等离子体化。等离子体中的离子对靶121的表面进行溅射，从靶121放出PZT的粒子。
从靶121放出的PZT的粒子的一部分入射至被加热的基板131的表面，在基板131的贵金属薄膜上形成PZT薄膜。
在形成既定膜厚的PZT薄膜后，停止从溅射电源113施加电压，停止溅射气体的导入。使发热部件133降温至比成膜时低的温度即400℃，结束成膜工序。
图8示出使用以往的电介质成膜装置110在Pt薄膜上形成的PZT薄膜的中央部(Center)、外缘部(Edge)、中央部与外缘部之间的中间部(Middle)的3处的X射线衍射图案。可知所形成的PZT薄膜在(111)方向优先取向。
即，以往的电介质成膜装置中存在的问题是，难以形成(100)/(001)取向的电介质膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-327106号公报；
专利文献2：日本特开2010-084180号公报；
专利文献3：日本特开2003-081694号公报。
发明内容
本发明要解决的问题
本发明是为解决上述现有技术的不良而创造的，其目的在于提供能够形成(100)/(001)取向的电介质膜的电介质成膜装置和电介质成膜方法。
用于解决问题的手段
本发明的发明人推测在以往的电介质成膜装置中，在PZT薄膜的成膜初期，由于Pb向贵金属薄膜方向扩散、或者再蒸发的影响，在PZT薄膜产生Pb欠缺并形成TiO2，在TiO2/贵金属薄膜上形成的PZT薄膜在(111)方向优先取向，发现了通过在贵金属薄膜上预先形成PbO的籽晶层，能够达到上述目的。
基于该认识而完成的本发明是一种电介质成膜装置，具有：真空槽；靶，配置在所述真空槽内；基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板进行加热；溅射电源，对所述靶施加电压；以及溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体，对所述靶进行溅射以将电介质膜成膜于所述基板，其中，具有：元素源保持部，配置在所述真空槽内，保持由在化学构造中含有所述靶所包含的元素的金属化合物构成的元素源；以及元素源加热部，对保持在所述元素源保持部的所述元素源进行加热，所述元素源构成为若被加热则放出蒸气。
本发明是一种电介质成膜装置，所述靶由钛锆酸铅(PZT)构成，所述元素源在化学构造中含有Pb和O，构成为若被加热则放出PbO的蒸气。
本发明是一种电介质成膜装置，所述元素源配置在从所述靶放出的粒子附着的位置。
本发明是一种电介质成膜装置，具有：真空槽；靶，配置在所述真空槽内；基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板进行加热；溅射电源，对所述靶施加电压；溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体；以及防附着板，在所述真空槽内配置在从所述靶放出的粒子附着的位置，对所述靶进行溅射以将电介质膜成膜于所述基板，其中，具有对所述防附着板进行加热的防附着板加热部。
本发明是一种电介质成膜装置，所述靶由钛锆酸铅(PZT)构成。
本发明是一种电介质成膜装置，所述防附着板为环状，配置成围住相比保持在所述基板保持部的所述基板的外周的更外侧。
本发明是一种使用电介质成膜装置的电介质成膜方法，所述电介质成膜装置具有：真空槽；靶，配置在所述真空槽内；基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板进行加热；溅射电源，对所述靶施加电压；溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体；防附着板，在所述真空槽内配置在从所述靶放出的粒子附着的位置；以及防附着板加热部，对所述防附着板进行加热，所述电介质成膜方法具有：籽晶层形成工序，预先决定成膜温度，从所述溅射气体导入部向所述真空槽内导入溅射气体，将所述防附着板加热至比所述成膜温度高的温度，使蒸气从附着在所述防附着板的薄膜放出，在所述基板形成籽晶层；以及成膜工序，使所述基板为所述成膜温度，从所述溅射电源向所述靶施加电压，对所述靶进行溅射，将电介质膜成膜于所述基板的所述籽晶层上。
发明的效果
由于能够将(100)/(001)取向的电介质膜成膜于(111)取向的Pt或者Ir的薄膜上，因此能够得到压电特性比以往大的压电元件。
在若加热则会放出蒸气的元素源配置在溅射粒子的附着的位置的情况下，即使重复进行成膜，元素源也不会消失，能够重复进行(100)/(001)取向的电介质膜的成膜。
附图说明
图1是本发明的电介质成膜装置的第一例的内部构成图；
图2是示出本发明的电介质成膜装置的发热部件的温度变化的图；
图3是示出由本发明的电介质成膜装置形成的PZT薄膜的X射线衍射图案的图；
图4是示出(100)/(001)取向的PZT薄膜和(111)取向的PZT薄膜的压电特性的图形；
图5是本发明的电介质成膜装置的第二例的内部构成图；
图6是以往的电介质成膜装置的内部构成图；
图7是示出以往的电介质成膜装置的发热部件的温度变化的图；
图8是示出由以往的电介质成膜装置形成的PZT薄膜的X射线衍射图案的图。
附图标记说明
10、10’……电介质成膜装置
11……真空槽
13……溅射电源
14……溅射气体导入部
18……基板加热部
19……防附着板加热部
21……靶
31……基板
32……基板保持台
34……防附着板(第一防附着板)
39……元素源保持部
40……元素源加热部。
具体实施方式
＜电介质成膜装置的第一例＞
说明本发明的电介质成膜装置的第一例的构造。
图1是第一例的电介质成膜装置10的内部构成图。
电介质成膜装置10具有：真空槽11；靶21，配置在真空槽11内；基板保持台32，配置在与靶21对置的位置，保持基板31；基板加热部18，对保持在基板保持台32的基板31进行加热；溅射电源13，对靶21施加电压；溅射气体导入部14，向真空槽11内导入溅射气体；以及防附着板36，在真空槽11内配置在从靶21放出的粒子附着的位置。
此处，靶21由钛锆酸铅(PZT)构成。
阴极电极22经由绝缘部件28安装在真空槽11的壁面，阴极电极22与真空槽11电绝缘。真空槽11被置于接地电位。
阴极电极22的表面露出至真空槽11内。靶21紧贴固定在阴极电极22的表面的中央部，靶21与阴极电极22电连接。
溅射电源13配置在真空槽11的外侧，与阴极电极22电连接，构成为能够经由阴极电极22对靶21施加交流电压。
在阴极电极22的与靶21相反一侧配置有磁体装置29。磁体装置29构成为在靶21的表面形成磁力线。
此处，基板保持台32是碳化硅(SiC)，外周形成得比基板31的外周大，表面朝向为与靶21的表面对置。基板保持台32的表面的中央部构成为能够静电吸附并保持基板31。
若使基板31静电吸附在基板保持台32的表面的中央部，则基板31的背面紧贴在基板保持台32的表面的中央部，基板31与基板保持台32热连接。
基板加热部18具有第一发热部33a和加热用电源17。
此处，第一发热部33a是SiC，配置在基板保持台32的与基板31相反一侧，加热用电源17与第一发热部33a电连接。若直流电流从加热用电源17流至第一发热部33a，则第一发热部33a发热，加热基板保持台32上的基板31。
基板31的背面紧贴在基板保持台32的表面的中央部，从基板31的中央部到外缘部均等传热。
溅射气体导入部14与真空槽11的壁面连接，能够向真空槽11内导入溅射气体。
此处，防附着板36具有第一、第二防附着板34、35。第一、第二防附着板34、35的原材料是石英、氧化铝等陶瓷。
第一防附着板34为内周比基板31的外周大的环状，覆盖基板保持台32的表面的中央部的外侧即外缘部而配置。从靶21放出的粒子不会附着在基板保持台32的表面的外缘部。
第一防附着板34的背面紧贴在基板保持台32的表面的外缘部，第一防附着板34与基板保持台32热连接。
若在基板保持台32的表面的中央部载放基板31，则第一防附着板34围住相比基板31的外周的更外侧。
第二防附着板35为内周比靶21的外周和基板31的外周大的筒状。第二防附着板35配置在基板保持台32与阴极电极22之间，围住基板31与靶21之间的空间的侧方。从靶21放出的粒子不会附着在真空槽11的壁面。
在基板保持台32的与第一防附着板34相反一侧配置有第二发热部33b。
此处，第二发热部33b是SiC，与加热用电源17电连接。若直流电流从加热用电源17流至第二发热部33b，则第二发热部33b发热，加热第一防附着板34。
将加热防附着板36的部分称为防附着板加热部19，此处，防附着板加热部19由第二发热部33b和加热用电源17构成。
此处，第一、第二发热部33a、33b互相连接，构成一个发热部件33。若直流电流从加热用电源17流至发热部件33，第一、第二发热部33a、33b一起发热，一起加热基板31与第一防附着板34。
本发明也包含第一、第二发热部33a、33b由单独的发热部件构成的情况。在该情况下，能够构成为直流电流分别流至第一、第二发热部33a、33b，分别加热基板31和第一防附着板34。
在发热部件33的与基板保持台32相反一侧配置有冷却装置38。冷却装置38构成为能够使在内部被温度管理的冷却电介质循环，即使发热部件33发热，真空槽11的壁面也不会被加热。
并且，也可以构成为在第二防附着板35的外周侧面配置发热部件，加热第二防附着板35。若加热第二防附着板35，则从预先附着在第二防附着板35的内周侧面的PZT薄膜放出PbO的蒸气。
说明使用第一例的电介质成膜装置10的成膜方法。
使用的结构为，在应该成膜的基板31、此处为Si基板的热氧化膜(SiO2)上，紧贴层即Ti薄膜和下部电极层即贵金属薄膜以该顺序预先层叠。贵金属薄膜是Pt或者Ir的薄膜，在(111)面优先取向。
利用试验或仿真，预先求出适于PZT薄膜的成膜的温度即成膜时的温度(以下称为成膜温度)。
在真空槽11的壁面连接真空排气装置15，对真空槽11内进行真空排气。以后，继续真空排气以维持真空槽11内的真空气氛。
首先，作为准备工序，边维持真空槽11内的真空气氛，边将与本来应该成膜的基板31不同的虚设基板运入真空槽11内，进行靶21的溅射，预先使PZT薄膜附着在第一、第二防附着板34、35的表面。接下来，边维持真空槽11内的真空气氛，边将虚设基板运出至真空槽11的外侧。
边维持真空槽11内的真空气氛，边向真空槽11内运入应该成膜的基板31，以基板31表面的贵金属薄膜与靶21的表面对置的朝向，使其保持在基板保持台32的表面的中央部。
在冷却装置38使被温度管理的冷却电介质循环。
图2示出在以下的籽晶层形成工序和成膜工序中的发热部件33的温度变化。
首先，作为籽晶层形成工序，从溅射气体导入部14向真空槽11内导入溅射气体。此处，溅射气体使用Ar气体。以后，继续溅射气体的导入。
从加热用电源17向发热部件33流过直流电流，使发热部件33为比成膜温度高的温度。此处，使其升温至785℃。
加热基板31和第一防附着板34，从附着在第一防附着板34的PZT薄膜放出PbO的蒸气。
放出的PbO的蒸气附着在基板31表面的贵金属薄膜上，在基板31表面的贵金属薄膜上形成PbO的籽晶层。
在将发热部件33保持在785℃既定的时间后，冷却至成膜温度。此处，冷却至适于PZT的成膜的640℃。
接下来，作为成膜工序，将发热部件33保持在640℃的温度(成膜温度)，若边继续从溅射气体导入部14导入溅射气体，边从溅射电源13对阴极电极22施加交流电压，则导入至真空槽11内的溅射气体被电离而等离子体化。等离子体中的离子被磁体装置29形成的磁力线捕捉，入射至靶21的表面，将PZT的粒子从靶21弹开。
从靶21放出的PZT的粒子的一部分入射至基板31的表面。由于在基板31表面的贵金属薄膜上预先形成有PbO的籽晶层，因此从籽晶层供给PbO而不会在PZT薄膜产生Pb欠缺，在籽晶层上形成有(001)/(100)取向的电介质膜(此处为PZT膜)。
图3示出用本发明的电介质成膜装置10在Pt薄膜上形成的PZT薄膜的中央部(Center)、外缘部(Edge)、中央部与外缘部之间的中间部(Middle)的3处的X射线衍射图案。
从图3的X射线衍射图案可知，形成了在(100)/(001)方向优先取向的PZT薄膜。
从靶21放出的PZT的粒子的一部分附着在第一防附着板34的表面，成为下次的籽晶层形成工序中的PbO的蒸气的放出源。
将既定膜厚的PZT薄膜成膜于基板31上后，停止从溅射电源13向阴极电极22施加电压，停止从溅射气体导入部14向真空槽11内导入溅射气体。
停止从加热用电源17向发热部件33供给电流，将发热部件33冷却至比成膜温度低的温度。此处，使其降温至400℃。
在基板31冷却至能够由运送机器人运送的温度后，边维持真空槽11内的真空气氛边将已经成膜的基板31运出至真空槽11的外侧，接下来，将其他未成膜的基板31运入至真空槽11内，重复所述籽晶层形成工序与成膜工序。
＜电介质成膜装置的第二例＞
说明本发明的电介质成膜装置的第二例的构造。
图5是第二例的电介质成膜装置10’的内部构成图。第二例的电介质成膜装置10’的构成中，在与第一例的电介质成膜装置10的构成相同部分标注相同的标记，省略说明。
第二例的电介质成膜装置10’具有：元素源保持部39，配置在真空槽11内，保持由在化学构造中含有靶21所包含的元素(金属元素)的金属化合物构成的元素源；以及元素源加热部40，对保持在元素源保持部39的元素源进行加热。
此处，元素源保持部39是坩埚，配置在由基板31、靶21和第一、第二防附着板34、35包围的空间的内侧。
若对靶21进行溅射，则从靶21放出的PZT的粒子的一部分附着在坩埚的内侧所配置的元素源。
此处，元素源加热部40是电热器，安装在元素源保持部39。元素源加热部40与加热用电源17电连接，若从加热用电源17流出直流电流，则元素源加热部40发热，加热保持在元素源保持部39的元素源。
此处，元素源在化学构造中含有Pb和O，例如使用PZT或PbO。此处，元素源构成为若加热则放出PbO的蒸气。
本发明的元素源加热部40只要能够加热保持在元素源保持部39的元素源即可，不限于电热器，红外线灯、激光等其他已知的加热装置也包含在本发明中。
说明使用第二例的电介质成膜装置10’的成膜方法。
使用的结构为，在应该成膜的基板31、此处为Si基板的热氧化膜(SiO2)上，紧贴层即Ti薄膜和下部电极层即贵金属薄膜以该顺序预先层叠。贵金属薄膜是Pt或者Ir的薄膜，在(111)面优先取向。利用试验或仿真，预先求出适于PZT薄膜的成膜的温度即成膜温度。
在元素源保持部39预先保持元素源。此处，使用PZT作为元素源。
在真空槽11的壁面连接真空排气装置15，对真空槽11内进行真空排气。以后，继续真空排气以维持真空槽11内的真空气氛。
边维持真空槽11内的真空气氛，边向真空槽11内运入应该成膜的基板31，以基板31表面的贵金属薄膜与靶21的表面对置的朝向，使其保持在基板保持台32的表面的中央部。在冷却装置38使被温度管理的冷却电介质循环。
作为籽晶层形成工序，从溅射气体导入部14向真空槽11内导入溅射气体。此处，溅射气体使用Ar气体。以后，继续溅射气体的导入。
若从加热用电源17向元素源加热部40流过直流电流，对保持在元素源保持部39的元素源进行加热，则从元素源即PZT放出PbO的蒸气。
放出的PbO的蒸气附着在基板31表面的贵金属薄膜上，在基板31表面的贵金属薄膜上形成PbO的籽晶层。
停止从加热用电源17向元素源加热部40的供电，停止元素源的加热。
接下来，作为成膜工序，从加热用电源17向第一发热部33a流过直流电流，使第一发热部33a升温至成膜温度。此处，使其升温至640℃。加热保持在基板保持台32的基板31。
将第一发热部33a保持在640℃的温度(成膜温度)，若边继续从溅射气体导入部14导入溅射气体，边从溅射电源13对阴极电极22施加交流电压，则导入至真空槽11内的溅射气体被电离而等离子体化。等离子体中的离子被磁体装置29形成的磁力线捕捉，入射至靶21的表面， 将PZT的粒子从靶21弹开。
从靶21放出的PZT的粒子的一部分入射至基板31的表面。由于在基板31的Pt薄膜上预先形成有PbO的籽晶层，因此从籽晶层供给PbO而不会在PZT薄膜产生Pb欠缺，在籽晶层上形成有(001)/(100)取向的电介质膜(此处为PZT膜)。
从靶21放出的PZT的粒子的一部分附着在保持在元素源保持部39的元素源，成为下次的籽晶层形成工序的PbO的蒸气的放出源。
将既定膜厚的PZT薄膜成膜于基板31上后，停止从溅射电源13向阴极电极22施加电压，停止从溅射气体导入部14向真空槽11内导入溅射气体。停止从加热用电源17向第一发热部33a供给电流，将第一发热部33a冷却至比成膜温度低的温度。此处，使其降温至400℃。
在基板31冷却至能够由运送机器人运送的温度后，边维持真空槽11内的真空气氛边将已经成膜的基板31运出至真空槽11的外侧，接下来，将其他未成膜的基板31运入至真空槽11内，重复所述籽晶层形成工序与成膜工序。

Claims (5)

1.一种电介质成膜装置，具有：
真空槽；
含有Pb和O的电介质靶，配置在所述真空槽内；
基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；
基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板进行加热；
溅射电源，对靶施加电压；以及
溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体，
对所述靶进行溅射以将含有Pb和O的电介质膜成膜于所述基板，
其中，所述电介质成膜装置具有：
元素源保持部，配置在所述真空槽内，保持由在化学构造中含有Pb和O的金属化合物构成的元素源；以及
元素源加热部，对保持在所述元素源保持部的所述元素源进行加热，
所述元素源构成为若被加热则放出蒸气，
所述电介质成膜装置构成为利用所述元素源加热部加热所述元素源而在所述基板形成含有Pb和O的籽晶层，接下来，在停止所述元素源的加热后，在所述籽晶层上形成所述电介质膜，
所述靶由钛锆酸铅(PZT)构成。
2.如权利要求1所述的电介质成膜装置，
其中，所述元素源配置在从所述靶放出的粒子附着的位置。
3.一种电介质成膜装置，具有：
真空槽；
含有Pb和O的电介质靶，配置在所述真空槽内；
基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；
基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板加热到成膜温度；
溅射电源，对所述靶施加电压；
溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体；以及
防附着板，在所述真空槽内配置在从所述靶放出的粒子附着的位置，
对所述靶进行溅射以将含有Pb和O的电介质膜成膜于所述基板，
其中，所述电介质成膜装置具有将所述防附着板加热到比所述成膜温度高的温度的防附着板加热部，
所述电介质成膜装置构成为利用所述防附着板加热部加热所述防附着板而在所述基板形成含有Pb和O的籽晶层，接下来，在停止所述防附着板的加热后，在所述籽晶层上形成所述电介质膜，
所述靶由钛锆酸铅(PZT)构成。
4.如权利要求3所述的电介质成膜装置，
其中，所述防附着板为环状，配置成围住相比保持在所述基板保持台的所述基板的外周的更外侧。
5.一种使用电介质成膜装置的电介质成膜方法，所述电介质成膜装置具有：
真空槽；
含有Pb和O的电介质靶，配置在所述真空槽内；
基板保持台，配置在与所述靶对置的位置，保持基板；
基板加热部，对保持在所述基板保持台的所述基板进行加热；
溅射电源，对所述靶施加电压；
溅射气体导入部，向所述真空槽内导入溅射气体；
防附着板，在所述真空槽内配置在从所述靶放出的粒子附着的位置；以及
防附着板加热部，对所述防附着板进行加热，
其中，所述电介质成膜方法具有：
籽晶层形成工序，预先决定成膜温度，从所述溅射气体导入部向所述真空槽内导入溅射气体，将所述防附着板加热至比所述成膜温度高的温度，使蒸气从附着在所述防附着板的含有Pb和O的薄膜放出，在所述基板形成含有Pb和O的籽晶层；以及
成膜工序，使所述基板为所述成膜温度，从所述溅射电源向所述靶施加电压，对所述靶进行溅射，将电介质膜成膜于所述基板的所述籽晶层上，
所述靶由钛锆酸铅(PZT)构成。
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