DE2148132C3

DE2148132C3 - Verfahren zur Herstellung eines dünnen piezoelektrischen Films

Info

Publication number: DE2148132C3
Application number: DE2148132A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Hirakata Osaka Hayakawa; Kiyotaka Nara Wasa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-09-29
Filing date: 1971-09-23
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2148132A1; GB1369863A; DE2148132B2; US3766041A; NL173187B; NL7113378A; FR2108057A1; NL173187C; CA919312A; FR2108057B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen piezoelektrischen Filmes, bei dem ein kathodischer Mitzerstäubungsschritt in einer oxidierenden Atmosphäre vorgesehen ist, wobei eine kathodische Zerstäubungsvorrichtung verwendet wird, die eine Hauptkathode aus Zink, an welcher ein Zerstäubungsstrom angelegt wird, und eine Anode aus leitfähigem Material enthält, das einen hohen Schmelzpunkt hat und an den Träger befestigbar sind.

Solche Verfahren sind bereits bekannt (US-PS 30 055). Dabei wird die Anode zweckmäßigerweise aus einem leitfähigem Material mit hohem Schmelzpunkt besitzt und hergestellt, an der sich Träger befestigen lassen. Mit dem bekannten Verfahren laßt sich jedoch die Orientierung des piezoelektrischen Films nicht beeinflussen.

In dem Aufsatz »Low Energy Sputtering of Semiconducting Oxide Materials« in dem » Symposium on the Deposition of Thin Films by Sputtering«, 9. Juni 1966, wird ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Filmthermistors beschrieben, bei welchem ein kathodischer Mitzerstäubungsschritt verwendet wird. Das nach dieser Schrift mitzuzerstäubende Material ist jedoch ein Gemisch der Oxide des Mn, Ni und Co, und es wird lediglich eine Kathode zur Mitzerstäubung verwendet. Der nach diesem Verfahren erhaltene abgeschiedene Film besitzt jedoch nicht eine ausreichende Gleichförmigkeit des zerstäubten Materials.

Aus der DE-OS 19 40 640 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen, nicht piezoelektrischen Granatfilms mit gut geregelter Orientierung bekannt, wobei dort der Granatfilm im Wege der Eritaxie aufgebracht wird, ein Verfahren, bei dem der Träger für den aufzubringenden Film besonderen Bedingungen genügen muß.

Die DE-OS 19 08 310 beschreibt den apparptiven Aufbau einer Kathodenzerstäubungseinrichtung mit

ίο Mehrfachkathode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Herstellung einer dünnen, piezoelektrischen Zinkoxidschicht mit gut gsregelter Orientierung zu ermöglichen. Diese Aufgabe

wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Hauptkathode und die Anode eine Hilfskathode aus Kupfer geschaltet ist, daß ein Zerstäubungsstrom an die Hilfskathode angelegt wird, der im Bereich von ü,3 bis 5% des an der Hauptkathode anliegenden Zerstäu-

bungsstromes liegt, und daß die Träger aus amorphem Material hergestellt sind.

Eine andere Lösung besteht darin, daß zwischen die Hauptkathode und die Anode eine Hilfskathode aus Aluminium geschaltet ist, daß ein Zerstäubungsstrom an

die Hilfskathode angelegt wird, der im Bereich von 1 bis 2 des an der Hauptkathode anliegenden Zerstäubungsstromes liegt, und d&8 die Träger aus amorphem Material hergestellt sind.
Dadurch wird eine erhebliche Verbesserung für die

jo Herstellung von Zinkoxid-Filmen auf amorphen Trägern erreicht, wobei überraschenderweise die Richtung der kristallographischen Orientierung sehr gut beeinflußt werden kann. Insbesondere eignet sich das beschriebene Verfahren für die Herstellung von

Hochfrequenz-Ultraschall-Wandlern.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Zerstäubungsvorrichtung zur Verwendung ir., beschriebenen Verfahren zur Herstellung von dünnen piezoelektrischen Filmen;

Fig.2 und 3 sind Diagramme, die die Wirkungen von Kupfer und Aluminium auf die kristallographische Struktur von Zinkoxid-Filmen, in der beschriebenen

Weise hergestellt, zeigen.

Das beschriebene Verfahren zur Herstellung dünner piezoelektrischer Filme schließt einen Kathodenzerstäubungsschritt ein, der die Mitzerstäubung von Kupfer oder Aluminium mit Zink in einer oxydierenden

Atmosphäre umfaßt.

Nach F i g. I besteht die Zerstäubungsvorrichtung, welche beim beschriebenen Verfahren zur Herstellung dünner piezoelektrischer Filme verwendet wird, aus einem Glockengehäuse 2, einer ebenen Anode 3, einer ebenen Hauptkathode 4 und einer Hilfskathode 5, welche zwischen der ebenen Anode und Hauptkathode angeordnet ist Die Anode ist aus leitenden Materialien hergestellt, welche einen hohen Schmelzpunkt haben. Die Oberfläche der Hauptkathode ist vom Zinkmetall überzogen. Die Hilfskathode ist aus einem ebenen Sieb hergestellt, welches aus Kupferdraht oder Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 0,1 bis I mm hergestellt ist und öffnungen von I bis 10 mm² besitzt. Das Glockengehäuse 2 enthält ein ionisierbares

b^r> Medium. Dieses ionisierende Medium kann ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff unter einem Druck im Bereich von 10~² bis 10-' Torr sein. Eine Hochspannungsquelle 6 ist in Serie mit einem stabilisierenden Widerstand 7

sowie der Anode 3 und der Hauptkathode 4 verbunden. Ein Hilfskreis 8 enthält einen Hilfskreiswiderstand 9. An der Anode 3 sitzt ein Substrathalter 10, an welchem das Substrat bzw. der Träger II befestigt werden kann. Dieser Träger wird bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 300° C gehalten.

Ei wurde gefunden, daß die Richtung der kristallographischen Orientierung von Zinkoxid-Filmen, die eine auf einem amorphen Träger abgeschiedene Fasertextur haben, gut beeinflußt werden kann, wenn man Kupfer aus der Hilfskathode mit Zink aus der Hauptkathode in einer oxydierenden Atmosphäre und mit einem Zerstäubungsstrom in dieser Hilfskathode im Bereich von 03 bis 5% des Zerstäubungsstromes in der Hauptkathode mitzerstäubt, wie aus F i g. 2 ersichtlich. Unter Bezug auf F i g. 2 variiert die Orientierung von Zinkoxid-Filmen, die eine auf dem amorphen Träger abgeschiedene Fasertextur haben, mit dem Zerstäubungsstrom in der Kupfer-Hilfskathode; Zinkoxid-Filme mit einer zur Filmoberfläche rechtwinklig stehenden oÄchse (normale Orientierung) können mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden, wenn die Hilfskathodenströme im Bereich von 03 bis 5% der Hauptkathodenströme liegen. Unter 03% haben die erhaltenen Zinkoxid-Filme entweder normale Orientierung oder eine parallele Orientierung (t-Achse liegt in der Filmebene), was von nicht beeinflußbaren Faktoren während des Zerstäubungsverfahrens abhängt Oberhalb 5% haben die erhaltenen Zinkoxid-Filme schlechte Orientierung. Daher hat es sich als nützlich erwiesen, den Zerstäubungsstrom in der Kupferhilfskathode zwischen 03 bis 5% zu halten, um normal orientierte Zinkoxid-Filme mit einer Faserstruktur herzustellen.

Außerdem wurde gefunden, daß die Richtung der kristallographischen Orientierung von Zinkoxid-Filmen, die eine auf dem amorphen Träger abgeschiedene Faserstruktur haben, durch das Mitzerstäuben von Aluminium aus dieser Hilfskathode mit Zink aus der Hauptkathode in einer oxydierenden Atmosphäre gut beeinflußt werfen kann, und zwar bei einem Zerstäubungsstrom in der Hilfskathode im Bereich von 1 bis 20% des Zerstäubungsstromes in der Hauptkathode, wie aus Fig.3 ersichtlich ist. Nach Fig.3 variiert die Orientierung von Zinkoxid-Filmen, die eine auf den amorphen Träger abgeschiedene Fasertextur haben, mit dem Zerstäubungsstrom in der Aluminiumhilfskathode; ä Zinkfilme mit paralleler Orientierung können mit großer Reproduzierbarkeit hergestellt werden, wenn diese Hilfskathodenströme im Bereich von 1 bis 20% der Hauptkathodenströme liegen. Unter 1% haben die erhaltenen Zinkoxid-Filme entweder normale Orientierung oder parallele Orientierung, was von den nicht beeinflußbaren Faktoren während des Zerstäubungsprozesses abhängt Oberhalb 20% haben die erhaltenen Zinkoxid-Filme schlechte Orientierung. Es hat sich für die Herstellung parallel orientierter Zinkoxid-Rlme mit

η einer Fasertextur als nützlich erwiesen, wenn deshalb der Zerstäubungsstrom in der Aluminiumhilfskathode zwischen 1 und 20% des Hauptzerstaubungsstromes gehalten wird.

Die Wirkungen des Kupfers und Aluminiums auf die

kristallographische Orientierung wird üVv'r einen weiten Druckbereich des Zerstäubungsgases beobachtet, d.h. von 10-' bis 10—'Torr, obwohl die Konzentration des Kupfers oder Aluminiums mit dem Zerstäubungsgasdruck variiert, und daher kann der hier beschriebene

KathodenT.arstäubungsschritt auch so durchgeführt

werden, daß man ein beliebiges Zerstäubungssystem verwendet, wie ein Radiofrequenz-Zerstäubungssystem oder ein Niedriggasdruck-System vom Magnetron-Typ.

Die Wirkungen des Kupfers und Aluminiums auf die

Orientierung kann nicht durch Substitution verursacht sein, sondern kann durch die Anwesenheit von Kupferoxiden oder Aluminiumoxiden an den Kristallgrenzen des Zinkoxids mit Fasertextur hervorgerufen sein. Die Lokalisaiion der feinen Aluminium-

J5 oxid-Kristallite verringert die Oberflächenbeweglichkeit der Zinkoxid-Teilchen in Trägern, was zu sehr kleinen Kristalliten führen kann. Dies kann die Ausbildung einer normalen Orientierung verhindern, im Gegensatz zu Aluminium verstärkt Kupfer das Wachsturn der Kristallite und daher die Ausbildung einer normten Orientierung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eins dünnen piezoelektrischen Filmes, bei dem ein kathodischer Mitzerstäubungsschritt in einer oxidierenden Atmosphäre vorgesehen ist, wobei eine kathodische Zerstäubungsvorrichtung verwendet wird, die eine Hauptkathode aus Zink, an welcher ein Zerstäubungsstrom angelegt wird, und eine Anode aus leitfähigem Material enthält, das einen hohen Schmelzpunkt hat und an das Träger befestigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Hauptkathode (4) und die Anode (3) eine Hilfskathode (5) aus Kupfer geschaltet ist, daß ein Zerstäubungsstrom an die Hilfskathode angelegt wird, der im Bereich von 03 bis 5 Prozent des an der Hauptkathode anliegenden Zerstäubungsstromes liegt, und daß die Träger (11) aus amorphem Material hergestellt sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines dünnen piezoelektrischen Filmes, bei dem ein kaihodischer Mitzerstäubungsschritt in einer oxidierenden Atmosphäre vorgesehen ist, wobei eine kathodische Zerstäubungsvorrichtung verwendet wird, die eine Hauptkathode aus Zink, an welcher ein Zerstäubungsstrom angelegt wird, und eine Anode aus leitfähigem Material enthält, das einen hohen Schmelzpunkt hat und an das Träger befestigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Hauptkathode (4) und die Anode (3) eine Hilfskathode (5) aus A'uminium geschaltet ist, daß ein Zerstäubungsstrom an die Hilfskathode angelegt wird, der im Bereich von 1 bis 20 Prozent des an der Hauptkathode anliegenden Zersiäubungsstromes liegt, und daß die Träger (11) aus amorphem Material hergestellt sind.