CN103189968B - 电介质薄膜的成膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够形成具有（100）/（001）取向的PZT薄膜的电介质薄膜的成膜方法。使PbO气体附着在衬底的表面形成种子层后，一边在已抽真空的真空槽内对衬底进行加热一边对锆钛酸铅（PZT）靶施加电压进行溅射，在衬底的表面上形成PZT薄膜。由种子层提供Pb和O，得到在PZT薄膜上不发生Pb缺损的、具有（001）/（100）取向的PZT膜。
Description
技术领域
本发明涉及电介质薄膜的成膜方法。
背景技术
当前，采用锆钛酸铅（Pb（Zr，Ti）O3、PZT）等強电介质的压电元件应用于喷墨头、加速度传感器等MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统）技术。
图4是表示（100）/（001）取向的PZT薄膜、（111）取向的PZT薄膜的压电特性的曲线图。已知（100）/（001）取向的PZT薄膜显示出比（111）取向的PZT薄膜更大的压电特性。
下面对已有的电介质薄膜的成膜方法进行说明。
形成压电元件时，对于要成膜的衬底采用在带热氧化膜的Si衬底上依序预先层叠了作为紧贴层的Ti薄膜和作为下部电极层的贵金属薄膜的衬底。贵金属薄膜为Pt或Ir薄膜，优先取向于（111）面。
图5表示对衬底进行加热的发热构件的温度变化。
在抽真空的真空槽内使发热构件在这里升温并保持在640℃，使衬底达到适于形成PZT薄膜的成膜温度。
向真空槽内导入溅射气体，对靶施加交流电压时，被导入的溅射气体发生电离，实现等离子体化。等离子体中的离子溅射靶的表面，从靶射出PZT颗粒。
从靶射出的PZT颗粒的一部分射向被加热的衬底的表面，在衬底的贵金属薄膜上形成PZT薄膜。
形成规定膜厚的PZT薄膜后，停止对靶施加电压，停止导入溅射气体。使发热构件降温并保持于400℃，使衬底冷却。
图6表示用已有的电介质薄膜的成膜方法在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）3个部位的X射线衍射图案。可知形成的PZT薄膜优先向（111）方向取向。
也就是说，已有的电介质薄膜成膜方法中存在难以形成（100）/（001）取向的PZT薄膜的问题。
在先技术文献
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
发明要解决的问题
本发明是为解决上述已有技术的缺陷而创作的，其目的在于，提供能够形成（100）/（001）取向的PZT薄膜的电介质薄膜的成膜方法。
解决问题的手段
本发明的发明者推测，在已有的成膜方法中，在PZT薄膜成膜的初期，由于Pb会向贵金属薄膜方向扩散、或再蒸发这样的影响，在PZT薄膜上发生Pb缺损形成TiO2，在TiO2/贵金属的薄膜上形成的PZT薄膜优先取向于（111）方向，并发现通过在贵金属薄膜上预先形成PbO的种子层，能够实现上述目的。
根据这样的见解作出的本发明是具有在已抽真空的真空槽内一边加热衬底一边对锆钛酸铅（PZT）的靶施加电压进行溅射，在上述衬底的表面形成PZT薄膜的成膜工序的电介质薄膜的成膜方法，该方法在上述成膜工序之前具有使PbO气体附着于上述衬底的表面以形成种子层的种子层形成工序。
本发明是电介质薄膜的成膜方法，是在上述种子层形成工序中，在上述真空槽内对化学结构中含有Pb和O的释放源进行加热，使上述释放源放出PbO气体的电介质薄膜的成膜方法。
本发明是电介质薄膜的成膜方法，是在上述种子层形成工序中，一边使上述释放源放出PbO气体一边将不与PbO反应的惰性气体导入上述真空槽内的电介质薄膜的成膜方法。
本发明是电介质薄膜的成膜方法，是在上述种子层形成工序中，将上述释放源加热到比上述成膜工序中的上述衬底的温度高的温度的电介质薄膜的成膜方法。
本发明是电介质薄膜的成膜方法，是在上述种子层形成工序中，将上述释放源加热到比上述成膜工序中的上述衬底的温度高50℃以上的温度的电介质薄膜的成膜方法，
本发明是电介质薄膜的成膜方法，是所述衬底在表面上具有优先向（111）面取向的Pt、Ir中的任一贵金属薄膜的电介质薄膜的成膜方法。
发明效果
由于能够在（111）取向的Pt薄膜或Ir薄膜上形成（100）/（001）取向的PZT薄膜，因此能够得到比以往压电特性大的压电元件。
附图说明
图1是本发明的电介质薄膜的成膜方法中使用的电介质成膜装置的内部结构图；
图2是表示本发明的电介质薄膜的成膜方法中的发热构件的温度变化的图；
图3是表示用本发明的电介质薄膜的成膜方法形成的PZT薄膜的X射线衍射图案的图；
图4是表示（100）/（001）取向的PZT薄膜和（111）取向的PZT薄膜的压电特性的曲线图；
图5是表示已有的电介质膜的成膜方法中的发热构件的温度变化的图；
图6是表示用已有的电介质薄膜的成膜方法形成的PZT薄膜的X射线衍射图案的图。
符号说明
11……真空槽；
21……靶；
31……衬底。
具体实施方式
＜电介质成膜装置的结构＞
对本发明的电介质薄膜的成膜方法中使用的电介质成膜装置的结构进行说明。
图1是电介质成膜装置10的内部结构图。
电介质成膜装置10具有真空槽11、在真空槽11内配置的PZT的靶21、配置于与靶21相对的位置上，支持衬底31的衬底支持台32、对被支持于衬底支持台32的衬底31进行加热的衬底加热部18、对靶21施加电压的溅射电源13、向真空槽11内导入溅射气体的溅射气体导入部14、以及在真空槽11内配置于从靶21射出的PZT颗粒附着的位置上的第一、第二防附着板34、35。
在真空槽11的壁面上，隔着绝缘构件28安装阴极22，阴极22与真空槽11电绝缘。真空槽11处于接地电位。
阴极22的表面露出于真空槽11内。靶21紧贴固定于阴极22的表面的中央部，靶21与阴极22电连接。
溅射电源13配置于真空槽11的外侧，与阴极22电连接，形成能够通过阴极22对靶21施加交流电压的结构。
在阴极22的与靶21相反的一侧配置磁体装置29。磁体装置29构成为能够在靶21表面形成磁力线。
衬底支持台32在这里是碳化硅（SiC），外周形成为比衬底31的外周大，表面与靶21的表面相对。衬底支持台32的表面的中央部构成为能够对衬底31静电吸附地加以支持。
使衬底31静电吸附于衬底支持台32的表面的中央部时，衬底31的背面紧贴衬底支持台32的表面的中央部，衬底31与衬底支持台32形成热学连接。
第一防附着板34是石英、氧化铝等陶瓷，内周形成比衬底31的外周大的环状，覆盖着衬底支持台32的表面的中央部的外侧、即外缘部配置。因此，从靶21射出的颗粒不附着于衬底支持台32的表面的外缘部。
第一防附着板34的背面紧贴衬底支持台32的表面的外缘部，第一防附着板34与衬底支持台32形成热学连接。
在衬底支持台32的表面的中央部载置衬底31时，第一防附着板34成为从衬底31的外周包围着外侧。
第二防附着板35是石英、氧化铝等陶瓷，内周做成比靶21的外周、衬底31的外周大的筒状。第二防附着板35配置于衬底支持台32与阴极22之间，包围着衬底31与靶21之间的空间的侧方。因此，从靶21射出的颗粒不会附着于真空槽11的壁面。
衬底加热部18具有发热构件33和加热用电源17。
发热构件33在这里是SiC，配置于衬底支持台32的与衬底31相反的一侧，加热用电源17与发热构件33电连接。从加热用电源17向发热构件33通直流电流时，发热构件33发热，衬底支持台32被加热，衬底支持台32上的衬底31与第一防附着板34一起被加热。
衬底31的背面紧贴衬底支持台32的表面的中央部，从衬底31的中央部到外缘部均匀地受到导热。
发热构件33的与衬底支持台32相反的一侧配置着冷却装置38。冷却装置38形成能够在内部使受到温度管理的制冷剂循环的结构，即使发热构件33发热，真空槽11的壁面也不会被加热。
溅射气体导入部14与真空槽11内连接，能够向真空槽11内导入溅射气体。
＜电介质薄膜的成膜方法＞
说明本发明的电介质薄膜的成膜方法。
对于要成膜的衬底31，在这里采用在Si衬底的热氧化膜（SiO2）上依序预先层叠作为紧贴层的Ti薄膜和作为下部电极层的贵金属薄膜的衬底。贵金属薄膜为Pt或Ir的薄膜，优先取向于（111）面。
借助于试验或模拟预先求得对PZT薄膜的成膜合适的衬底31的温度（以下称为“成膜温度”）。
首先，作为准备工序，将抽真空装置15连接到真空槽11内，将真空槽11内抽真空。以后，继续抽真空，维持真空槽11内的真空气氛。
在这里，一边维持真空槽11内的真空气氛，一边将与要成膜的衬底31不同的虚拟衬底移入真空槽11内，载置于衬底支持台32的表面的中央部，进行靶21的溅射，使第一防附着板34的表面预先附着PZT薄膜。接着，在使真空槽11内保持真空气氛的同时将虚拟衬底转移到真空槽11的外侧。
本发明只要能够使化学结构中含铅（Pb）和氧（O）的金属化合物（以下称为“释放源”）附着于第一防附着板34的表面，不限定在真空槽11内使用虚拟衬底进行溅射的方法，也可以将用别的成膜装置预先使其附着PZT或PbO等化学结构中含Pb和O的金属化合物的第一防附着板34搬入真空槽11内使用。
在维持真空槽11内的真空气氛的同时将要成膜的衬底31搬入真空槽11内，以衬底31表面的贵金属薄膜与靶21的表面为相对的方向，将衬底31保持于衬底支持台32的表面的中央部。
使经过温度管理的制冷剂在冷却装置38中循环。
图2表示以下的种子层形成工序与成膜工序中发热构件33的温度变化。
作为种子层形成工序，从溅射气体导入部14向真空槽11内导入不与PbO发生反应的惰性气体。在这里，惰性气体采用作为溅射气体的氩气（Ar）。以后继续导入惰性气体。
在真空槽11内对化学结构中含有Pb和O的释放源进行加热，使释放源放出PbO气体。
在这里，加热用电源17向发热构件33流出直流电流，对发热构件33进行加热，将第一防附着板34上附着的PZT薄膜加热到比预先求得的成膜温度高的温度。从第一防附着板34上附着的PZT薄膜中放出PbO气体。
最好是使第一防附着板34上附着的PZT薄膜为比预先求得的成膜温度高50℃以上的高温。这是因为PbO气体能够释放得更多。在这里，使发热构件33升温到785℃，保持该温度。
在衬底31表面的贵金属薄膜上附着，在衬底31表面的贵金属薄膜上形成PbO的种子层。
使发热构件33冷却，使衬底31为成膜温度。在这里，使发热构件33冷却到640℃，保持该温度。
接着，作为成膜工序，一边使衬底31保持于成膜温度，一边从溅射气体导入部14向真空槽11内导入作为溅射气体的氩气（Ar），从溅射电源13向阴极22施加交流电压时，导入的溅射气体电离，实现等离子体化。等离子体中的离子被磁体装置29形成的磁力线所捕捉，射向靶21的表面，使PZT颗粒从靶21飞出。
从靶21射出的PZT颗粒的一部分射向衬底31的表面。在衬底31表面的贵金属薄膜上，由于预先形成PbO种子层，由种子层提供Pb和O，在PZT薄膜上不发生Pb缺损，在种子层上形成（001）/（100）取向的PZT膜。
图3表示用本发明的成膜方法在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）这3个部位的X射线衍射图案。
从图3的X射线衍射图案可知，形成优先取向于（100）/（001）方向的PZT薄膜。
从靶21射出的PZT颗粒的一部分附着于第一防附着板34的表面，成为下一次种子层形成工序的PbO气体的释放源。
在衬底31上形成规定膜厚的PZT薄膜后，停止从溅射电源13向阴极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向发热构件33提供电流，使发热构件33冷却，使衬底31为比成膜温度低的温度。这是为了用搬送机械手（robot，或称机器人）搬送衬底31。在这里，使发热构件33降温到400℃，保持该温度。
在维持真空槽11内的真空气氛的同时将已成膜的衬底31移出到真空槽11的外侧，接着将别的未成膜的衬底31送入到真空槽11内，反复进行上述种子层形成工序和成膜工程。
本发明的种子层形成工序中，在真空槽11内对化学结构中含有Pb和O的释放源进行加热，只要能够从释放源放出PbO气体，对第一防附着板34上附着的PZT薄膜的加热方法没有限定，也可以在第二防附着板35的外周侧面配置发热构件，对第二防附着板35的内周侧面上附着的PZT薄膜进行加热，使PbO气体放出。在这种情况下，放出的PbO气体即使与惰性气体不发生冲突，也由于射向衬底31表面，能够省略惰性气体的导入。
也可以在真空槽11内在第一防附着板34之外另外配置坩埚（未图示），在坩埚内放入PZT、PbO等释放源，加热坩埚内的释放源使其放出PbO气体。如果使坩埚的开口向着放出的PbO气体射向衬底31表面的方向，则能够省略惰性气体的导入。
在本发明的种子层形成工序中，只要能够使PbO气体附着于衬底31的表面，不限于在真空槽11内对化学结构中含有Pb和O的释放源进行加热以使释放源放出PbO气体的方法，也包含将在真空槽11的外侧配置、放出PbO气体的PbO气体释放部（未图示）连接到真空槽11内，从PbO气体释放部将PbO气体导入真空槽11内，使PbO气体附着于衬底31的表面的方法。
像采用第一、第二防附着板34、35的方法那样，将被加热的释放源配置于从靶21放出的PZT颗粒附着的位置的情况下，在成膜工程中PZT颗粒附着于释放源，也就是说，释放源得到补充，因此与使用PbO气体释放部的方法相比，成膜材料的使用效率高，是理想的方法。
Claims (5)
1.一种电介质薄膜的成膜方法，具有在已抽真空的真空槽内一边加热衬底一边对锆钛酸铅（PZT）靶施加电压进行溅射，在所述衬底的表面形成PZT薄膜的成膜工序，
在所述成膜工序之前具有使PbO气体附着于所述衬底的表面以形成PbO的种子层的种子层形成工序，
在所述种子层形成工序中，在所述真空槽内对化学结构中含有Pb和O的释放源进行加热，使得从所述释放源放出PbO气体，
在所述成膜工序中，使溅射出的PZT颗粒射向所述衬底的表面，在所述种子层上形成所述PZT薄膜，其特征在于，
作为所述释放源，采用在从所述靶射出的PZT颗粒附着的位置上配置的第一防附着板上附着所述靶的溅射形成的PZT颗粒而由此形成的所述PZT薄膜，
在所述种子层形成工序中，加热所述第一防附着板，使得从所述释放源放出所述PbO气体，在所述衬底的表面形成所述种子层。
2.根据权利要求1所述的电介质薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述种子层形成工序中，一边使所述释放源放出PbO气体一边将不与PbO反应的惰性气体导入所述真空槽内。
3.根据权利要求1所述的电介质薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述种子层形成工序中，将所述释放源加热到比所述成膜工序中的所述衬底的温度高的温度。
4.根据权利要求3所述的电介质薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述种子层形成工序中，将所述释放源加热到比所述成膜工序中的所述衬底的温度高50℃以上的温度。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的电介质薄膜的成膜方法，其特征在于，所述衬底在表面具有优先向（111）面取向的Pt、Ir中的任一贵金属的薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |