DE3200425C2

DE3200425C2 -

Info

Publication number: DE3200425C2
Application number: DE3200425A
Authority: DE
Inventors: Suehiro Nagaokakyo Kyoto Jp Kato; Kenji Otokuni Kyoto Jp Ando
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1981-01-12
Filing date: 1982-01-09
Publication date: 1990-03-15
Also published as: DE3200425A1; US4410408A; JPS57118022A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxid-Films und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Filmen, die als piezoelektrische Filme einsetzbar sind.

Zinkoxid-Filme werden als piezoelektrische Filme für Oberflächen-Schallwellenfilter, Oscillatoren, Resona toren und dergleichen verwendet. Beispielsweise werden Zinkoxid-Filme auf Oberflächen-Schallwellenfilter auf gebracht, bei denen ein Zinkoxid-Film mittels Übertra gungselektroden angeregt wird und in dem Film Oberflä chen-Schallwellen erzeugt werden. Damit die gewünschten Oberflächen-Schallwellen erzeugt werden, ist es im all gemeinen erforderlich, daß der Film eine Dicke besitzt, die größer als eine halbe Wellenlänge (1/2 λ) der zu erzeugenden Oberflächen-Schallwelle ist.

Bisher wurden derartige Zinkoxid-Filme mit Hilfe einer Hochfrequenz-Zerstäubung unter Einsatz eines Targets aus Zinkoxid hergestellt. Bei einem solchen konven tionellen Verfahren ist die Geschwindigkeit der Bildung des Films sehr niedrig und liegt beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 µm/h. Wenn ein Zinkoxid-Film mit einer Dicke von 25 µm hergestellt werden soll, dauert dies somit etwa 25 h. Hierraus ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Herstellungskosten von Ober flächen-Schallwellen-Übertragungssystemen.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Filmen verfügbar zu machen, das es ermöglicht, Zinkoxid-Filme mit einer hohen Bildungsgeschwindigkeit herzustellen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren verfügbar zu machen, das es ermöglicht, Zinkoxid-Filme mit einer hohen Bildungsgeschwindigkeit herzustellen, die ein ausgezeichnetes Haftvermögen be sitzen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Filmen, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) Hochfrequenzzerstäubung eines Zinkoxid-Targets und
b) reaktive Gleichspannungs- oder Hochfrequenzzerstäu bung eines Zinkmetall-Targets

wobei beide Schritte in Argon-Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt werden.

Wenn Zinkoxid-Filme auf Oberflächen-Schallwellenfilter aufgebracht werden, wird ein Isoliermaterial wie Glas, Keramik und dergleichen als Substrat verwendet, auf dem ein Zinkoxid-Film mit einem aus mehreren Schichten be stehenden Aufbau gebildet wird. Wenn Zinkoxid-Filme auf Oscillatoren vom Stimmgabel-Typ oder plattenartige Os cillatoren aufgebracht werden, wird ein Metall wie Elinvar als Substrat verwendet.

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die erste Schicht des Zinkoxid-Films auf dem Substrat mit Hilfe einer Hochfrequenz-Zerstäubung eines Targets aus einer Zinkoxid-Keramik gebildet. Der Schritt der Bildung dieser ersten Schicht des Zinkoxid-Films ist fast der gleiche wie das Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxid-Films gemäß dem Stand der Technik. Die Dicke dieser ersten Schicht wird entsprechend der Ge samtdicke des Zinkoxid-Films einschließlich der zweiten Schicht festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke der ersten Schicht so gewählt, daß sie innerhalb des Bereichs von 500 nm und 8 µm liegt. Es ist jedoch ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß die Dicke der ersten Schicht auf keinen Fall nur auf die Werte innerhalb des vorgenannten Bereichs beschränkt ist. Diese erste Schicht des Zinkoxid-Films wird auf gebracht, um eine gute Haftung des Zinkoxid-Films auf der Substrat-Oberfläche sicherzustellen. Im Zuge des Schrittes der Bildung der ersten Schicht wird ein Zink oxid-Film mit guter Kristallisierbarkeit hergestellt. Diese erste Zinkoxid-Schicht weist eine Vorzugsorien tierung der c-Achse in bezug auf die Substrat-Ober fläche auf und besitzt hervorragende Eigenschaften hin sichtlich ihrer Dichte und ihres Haftvermögens.

Der Schritt der Bildung der ersten Schicht des Zink oxid-Films kann beispielsweise folgendermaßen durchge führt werden: Ein im wesentlichen aus Zinkoxid beste hendes Target wird mittels des im allgemeinen zur Her stellung von Keramiken verwendeten Verfahrens herge stellt. Beispielsweise wird das Target in der Weise hergestellt, daß Zinkoxid-Pulver in eine gewünschte Form gebracht und dann in Luft gebrannt wird. Das Tar get aus Zinkoxid wird auf eine Anode montiert, die in einem Rezipienten (z.B einer Glasglocke) einer Hoch frequenz-Zerstäubungsapparatur angeordnet ist, und ein Substrat wird auf die Kathode montiert, die der Anode gegenüber angeordnet ist. Nach dem luftdichten Ver schließen wird der Rezipient auf einen Druck von etwa 1,33×10^-6 mbar evakuiert und dann mit einem Gasge misch beschickt, das aus 80 bis 90 Vol.-% Argon und 10 bis 20 Vol.-% Sauerstoff besteht, wobei der Druck in dem Rezipienten auf einen Wert von 1,33×10^-1 bis 1,33×10^-3 mbar eingestellt wird. Zwischen der Kathode und der Anode wird mit Hilfe einer elektrischen Hoch frequenz-Energiequelle eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz von 13,56 MHz angelegt, und dem Target wird eine elektrische Energie von etwa 6 W/cm² zuge führt. Die erste Schicht des Zinkoxid-Films wird auf dem Substrat gebildet.

Nach der Bildung der ersten Zinkoxid-Schicht wird die zweite Schicht aus Zinkoxid auf der ersten Zinkoxid- Schicht mit Hilfe des reaktiven Gleichsspannungs-Zer stäubungsverfahrens oder des reaktiven Hochfrequenz- Zerstäubungsverfahrens unter Einsatz eines Targets aus Zink-Metall gebildet.

Wenn Zink-Metall als Material des Targets für die Zer stäubung verwendet wird, wird die Bildungsgeschwindig keit des Zinkoxid-Films auf etwa 10 µm/h erhöht. Um Zink-Metall in Zinkoxid zu überführen, ist es erforder lich, die reaktive Zerstäubung durchzuführen. Diese reaktive Zerstäubung wird dadurch bewirkt, daß die Zer stäubung in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, beispielsweise in einem Gasgemisch aus 50 bis 90 Vol.-% Argon und 10 bis 50 Vol.-% Sauerstoff. Wäh rend des Zerstäubens reagieren Zink-Atome, die aufgrund des Bombardements der Argon-Ionen von dem Target abge stäubt worden sind, mit den Sauerstoff-Atomen und wer den in Zinkoxid überführt, das auf der ersten Schicht des Zinkoxid-Films abgelagert wird, wodurch die zweite Schicht des Zinkoxid-Films gebildet wird.

Die Gründe dafür, daß die Gase Argon und Sauerstoff in dem angegebenen Mischungsverhältnis vorliegen, sind folgende: Wenn der Argon-Anteil kleiner ist als 50 Vol.-% oder der Sauerstoff-Anteil 50 Vol.-% über steigt, verlangsamt sich die Bildungsgeschwindigkeit des Films, wodurch es unmöglich gemacht wird, das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Wenn der Ar gon-Anteil 90 Vol.-% übersteigt oder der Sauerstoff- Anteil kleiner als 10 Vol.-% ist, findet die Umwandlung von Zink in Zinkoxid nicht mehr in ausreichendem Maße statt, wodurch sich die Bildung der zweiten Schicht des Zinkoxid-Films schwierig gestaltet.

Der Schritt der Bildung der zweiten Zinkoxid-Schicht kann beispielsweise mit Hilfe des reaktiven Gleich spannungs-Zerstäubungsverfahrens in folgender Weise durchgeführt werden.

Eine Metallplatte aus Zink wird als Target verwendet und auf die in dem Rezipienten einer Gleichspannungs- Zerstäubungsapparatur angeordnete Kathode montiert. Ein Substrat mit der ersten Schicht aus Zinkoxid wird auf die Anode montiert, die der Kathode gegenüber angeord net ist. Der Rezipient wird luftdicht verschlossen, sodann auf ein Vakuum von 1,33×10^-6 mbar evakuiert und mit einem Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff be schickt, wobei die Atmosphäre und der Druck auf 1,33×10^-1 bis 6,67×10^-4 mbar eingestellt wird. Zwi schen der Kathode und der Anode wird eine Gleichspan nung angelegt. Die verwendete Spannung und Stromstärke werden jeweils innerhalb der Bereiche von 1 bis 7 kV (Gleichspannung) und 0,15 bis 1,5 mA/cm² festgelegt. Durch diese Behandlung wird die zweite Schicht des Zinkoxid-Films auf der ersten Zinkoxid-Schicht gebil det, und es wird ein aus mehreren Schichten bestehender Zinkoxid-Film erhalten. Bei dem vorerwähnten zweiten Schritt kann die Bildungsgeschwindigkeit des Zinkoxid- Films durch Einstellen der Spannung und Stromstärke innerhalb der jeweiligen oben angegebenen Bereiche ge steuert und im Vergleich zu der Bildungsgeschwindigkeit der ersten Schicht des Zinkoxid-Films beträchtlich, bis hinauf zu 10 µm/h, gesteigert werden.

Für den Schritt der Bildung der zweiten Schicht des Zinkoxid-Films ist es möglich, die Hochfrequenz-Zer stäubungsmethode anzuwenden. In einem solchen Falle wird ebenfalls ein aus Zink-Metall bestehendes Target eingesetzt, und die Zerstäubung wird in einer Atmos phäre durchgeführt, in der eine reaktive Zerstäubung stattfinden kann, d.h. in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre.

In der vorstehenden Beschreibung wird die Bildung der ersten und der zweiten Schicht des Zinkoxid-Films ge trennt unter Verwendung verschiedener Zerstäubungs- Apparaturen durchgeführt, jedoch ist es möglich, diese Schichten nacheinander in einer kontinuierlichen Zer stäubungsapparatur zu bilden. Es ist ebenfalls möglich, die vorgenannten Zerstäubungsverfahren zusammen mit der Magnetron-Zerstäubungsmethode einzusetzen, bei der ein Magnetron verwendet wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die für die Bil dung eines Zinkoxid-Films einer gewünschten Dicke auf zuwendende Zeit im Vergleich zu derjenigen bei Verfah ren nach dem Stand der Technik beträchtlich vermindert werden. Wenn beispielsweise ein Zinkoxid-Film mit einer Dicke von 25 µm hergestellt wird, kann in folgender Weise die Zeit auf etwa ein Drittel verringert werden: Die erste Zinkoxid-Schicht mit einer Dicke von 5 µm wird mit Hilfe des Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahrens im Laufe von etwa 5 h gebildet, und danach wird die zweite Zinkoxid-Schicht mit einer Rest-Dicke von 20 µm mit Hilfe der reaktiven Gleichspannungs- oder Hochfre quenz-Zerstäubung im Laufe von etwa 2 h gebildet.

Da die erste Schicht des Zinkoxid-Films unter Einsatz eines Zinkoxid-Targets und der Hochfrequenz-Zerstäubung gebildet wird, ist es möglich, einen Zinkoxid-Film von guter Qualität, guter Kristallisierbarkeit und hohem Haftvermögen zu erhalten. Die auf der ersten Zinkoxid- Schicht gebildete zweite Schicht des Zinkoxid-Films beeinträchtigt die piezoelektrische Funktion des Zink oxid-Films nicht und verhält sich als integrierter Teil des Zinkoxid-Films.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Filmen, gekenn zeichnet durch folgende Schritte:
- a) Hochfrequenzzerstäubung eines Zinkoxid-Targets und
- b) reaktive Gleichspannungs- oder Hochfrequenzzerstäu bung eines Zinkmetall-Targets
wobei beide Schritte in Argon-Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt werden.