JP2002138000A - Method of forming film, device for forming film and laminated complex - Google Patents
Method of forming film, device for forming film and laminated complexInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、成膜方法、成膜装
置、及び積層複合体に係り、特には、ガラス基板上に薄
膜を形成する成膜方法、そのような方法の実施に利用可
能な成膜装置、及びそのような方法で製造され得る積層
複合体に関する。The present invention relates to a film forming method, a film forming apparatus, and a laminated composite, and more particularly, to a film forming method for forming a thin film on a glass substrate, and can be used for carrying out such a method. The present invention relates to a novel film forming apparatus and a laminated composite that can be manufactured by such a method.
【0002】[0002]
【従来の技術】チタン酸ジルコン酸鉛のようなペロブス
カイト型構造の酸化物の中には、常温で強誘電性を示す
ものや、歪を導入されることにより常温で強誘電性を発
現するものがある。このような強誘電性の酸化物薄膜
は、強誘電体キャパシタなどの強誘電体素子や圧電素子
等で利用されており、この強誘電体薄膜の特性はそれら
素子の性能に大きな影響を与える。2. Description of the Related Art Some oxides having a perovskite structure, such as lead zirconate titanate, exhibit ferroelectricity at room temperature, and those exhibiting ferroelectricity at room temperature when strain is introduced. There is. Such a ferroelectric oxide thin film is used for a ferroelectric element such as a ferroelectric capacitor, a piezoelectric element, and the like, and the characteristics of the ferroelectric thin film greatly affect the performance of the element.
【0003】これら素子では、上記強誘電体薄膜の強誘
電性を向上させるために、酸化物の組成などを最適化す
ることに加え、その強誘電体薄膜の下地に対しても様々
な技術が適用されている。例えば、下部電極材料として
強誘電体薄膜との格子整合性が高い導電性材料を用いる
場合や、下部電極と基板との間に緩やかな格子遷移を実
現するためのバッファ層を装入する場合がある。また、
基板自体に強誘電体薄膜との格子整合性が高いものを使
用することもある。さらに、常温で強誘電性を示さない
ペロブスカイト型構造の酸化物を不揮発性の強誘電体キ
ャパシタで使用する場合、下部電極をシリコン基板上に
成膜し、この下部電極上に上記酸化物をエピタキシャル
成長させることにより生じる不整合歪を利用して強誘電
性を発現させている。In these devices, in order to improve the ferroelectricity of the ferroelectric thin film, in addition to optimizing the composition of the oxide and the like, various techniques are applied to the base of the ferroelectric thin film. Have been applied. For example, when a conductive material having high lattice matching with the ferroelectric thin film is used as the lower electrode material, or when a buffer layer for realizing a gradual lattice transition between the lower electrode and the substrate is inserted. is there. Also,
A substrate having high lattice matching with the ferroelectric thin film may be used for the substrate itself. Furthermore, when an oxide having a perovskite structure that does not exhibit ferroelectricity at room temperature is used in a nonvolatile ferroelectric capacitor, a lower electrode is formed on a silicon substrate, and the oxide is epitaxially grown on the lower electrode. The ferroelectricity is expressed by utilizing the mismatch strain generated by the above.
【0004】このような技術によると、優れた強誘電体
特性を実現することができる。しかしながらその反面
で、上記技術は、基板、下部電極、及び強誘電体薄膜な
どに利用可能な材料や構造が制限される。例えば、ディ
スプレイデバイス等に広く用いられている無アルカリガ
ラス基板などの非晶質基板を用いる場合には、基板の結
晶格子を利用することや、非晶質基板と強誘電体薄膜と
の間に格子整合性を実現することや不整合歪を導入する
ことが困難である。そのため、非晶質基板を用いた場合
に優れた強誘電性を発現させるためには、シリコン基板
のような単結晶基板を用いた場合とは異なる強誘電体特
性の向上方法が必要となる。このように、従来技術によ
ると、素子設計の自由度が低い、応用範囲が狭い、及び
素子の製造コストが比較的高くなるという問題を生ずる
ことがあった。According to such a technique, excellent ferroelectric characteristics can be realized. However, on the other hand, the above-mentioned technology limits the materials and structures that can be used for the substrate, the lower electrode, the ferroelectric thin film, and the like. For example, when using an amorphous substrate such as an alkali-free glass substrate widely used for a display device or the like, a crystal lattice of the substrate may be used, or a gap between the amorphous substrate and the ferroelectric thin film may be used. It is difficult to achieve lattice matching and introduce mismatch distortion. Therefore, in order to exhibit excellent ferroelectricity when an amorphous substrate is used, a method for improving ferroelectric properties different from that when a single crystal substrate such as a silicon substrate is used is required. As described above, according to the related art, there have been problems that the degree of freedom in element design is low, the application range is narrow, and the manufacturing cost of the element is relatively high.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みてなされたものであり、高い自由度で素子を製造
することを可能とする成膜方法、成膜装置、及び積層複
合体を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a film forming method, a film forming apparatus, and a laminated composite which can manufacture an element with a high degree of freedom. The purpose is to provide.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、立方晶系と正方晶系との間で相転移を生
じる薄膜材料を前記薄膜材料が立方晶系となる温度でガ
ラス基板の一方の主面上に堆積させて薄膜を成膜する工
程と、前記ガラス基板及び前記薄膜を冷却して前記薄膜
材料を立方晶系から正方晶系へと相転移させる工程とを
含み、前記ガラス基板の形状を前記薄膜の成膜時と前記
薄膜材料の相転移時との間で異ならしめることにより前
記薄膜材料が相転移する際に前記薄膜に応力を加えて、
前記冷却された薄膜における正方晶系のc軸方向を制御
することを特徴とする成膜方法を提供する。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a thin film material that undergoes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system at a temperature at which the thin film material becomes cubic. Depositing a thin film on one main surface of a glass substrate to form a thin film, and cooling the glass substrate and the thin film to cause a phase transition of the thin film material from a cubic system to a tetragonal system. Applying stress to the thin film when the thin film material undergoes a phase transition by making the shape of the glass substrate different between the time of forming the thin film and the time of the phase transition of the thin film material,
A film forming method is provided, wherein a direction of a tetragonal c-axis in the cooled thin film is controlled.
【0007】また、本発明は、反応容器と、前記反応容
器内に配置されガラス基板を保持する基板ホルダと、前
記ガラス基板の一方の主面上に薄膜材料を供給する薄膜
材料供給機構と、前記基板ホルダに保持された前記ガラ
ス基板を変形させる変形機構とを具備することを特徴と
する成膜装置を提供する。Further, the present invention provides a reaction vessel, a substrate holder disposed in the reaction vessel and holding a glass substrate, a thin film material supply mechanism for supplying a thin film material onto one main surface of the glass substrate, And a deformation mechanism for deforming the glass substrate held by the substrate holder.
【0008】さらに、本発明は、ガラス基板と、前記ガ
ラス基板の一方の主面上に形成された拡散防止層と、前
記拡散防止層上に形成され立方晶系と正方晶系との間で
相転移を生じる薄膜材料を含む薄膜と、前記ガラス基板
の他方の主面上に形成された応力制御層とを具備し、前
記拡散防止層の線膨張係数Δl1と前記応力制御層の線
膨張係数Δl2と前記拡散防止層の膜厚x1と前記応力制
御層の膜厚x2とは不等式Δl1>Δl2且つx1>x2に
示す関係を満足するか或いは不等式Δl1<Δl2且つx
1<x2に示す関係を満足することを特徴とする積層複合
体を提供する。Further, the present invention provides a glass substrate, a diffusion prevention layer formed on one main surface of the glass substrate, and a cubic system and a tetragonal system formed on the diffusion prevention layer. A thin film containing a thin film material causing a phase transition, and a stress control layer formed on the other main surface of the glass substrate, wherein a linear expansion coefficient Δl 1 of the diffusion prevention layer and a linear expansion of the stress control layer The coefficient Δl 2 , the film thickness x 1 of the diffusion prevention layer, and the film thickness x 2 of the stress control layer satisfy the relations represented by inequalities Δl 1 > Δl 2 and x 1 > x 2 or inequality Δl 1 <Δl 2 and x
1 <to provide a laminated composite, characterized by satisfying the relationship shown in x 2.
【0009】さらにまた、本発明は、ガラス基板と、前
記ガラス基板の一方の主面上に形成され立方晶系と正方
晶系との間で相転移を生じる薄膜材料を含む薄膜とを具
備し、前記ガラス基板はその一方の主面側と他方の主面
側とで線膨張係数が異なることを特徴とする積層複合体
を提供する。Further, the present invention comprises a glass substrate and a thin film formed on one main surface of the glass substrate and containing a thin film material which causes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system. The present invention provides a laminated composite, wherein the glass substrate has a different linear expansion coefficient between one main surface side and the other main surface side.
【0010】加えて、本発明は、ガラス基板と、前記ガ
ラス基板の一方の主面上に形成され立方晶系と正方晶系
との間で相転移を生じる薄膜材料を含む薄膜とを具備
し、前記ガラス基板の一方の主面と他方の主面とでは表
面積が異なることを特徴とする積層複合体を提供する。In addition, the present invention comprises a glass substrate and a thin film formed on one main surface of the glass substrate and containing a thin film material which causes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system. In addition, the present invention provides a laminated composite, characterized in that one main surface and the other main surface of the glass substrate have different surface areas.
【0011】上述のように、本発明では、まず、薄膜材
料をガラス基板の一方の主面上に堆積させて薄膜を成膜
し、次に、ガラス基板及び薄膜を冷却して薄膜材料を相
転移させる。本発明では、結晶軸の長さが全て等しい立
方晶系からc軸の長さが他の2つの結晶軸の長さとは異
なる正方晶系へとその薄膜が相転移する際に外部から応
力を加えることによりc軸の配向方向を制御しており、
そのような応力を加えるために、成膜時と相転移時との
間でガラス基板の形状を異ならしめている。すなわち、
本発明では、上記薄膜とその下地との間の格子定数の違
いを利用する従来技術とは異なり、基板の変形を利用し
て上記薄膜に応力を加えている。このような原理を利用
した場合、下部電極等に様々な材料を使用することがで
きる。そのため、本発明によると、高い自由度で素子を
設計することが可能となる。As described above, in the present invention, first, a thin film material is deposited on one main surface of a glass substrate to form a thin film, and then, the glass substrate and the thin film are cooled to deposit the thin film material. Transfer. In the present invention, when the thin film undergoes a phase transition from a cubic system in which the lengths of the crystal axes are all equal to a tetragonal system in which the length of the c-axis is different from the lengths of the other two crystal axes, an external stress is applied. The orientation direction of c-axis is controlled by adding
In order to apply such stress, the shape of the glass substrate is changed between the time of film formation and the time of phase transition. That is,
In the present invention, stress is applied to the thin film by utilizing the deformation of the substrate, unlike the related art in which the difference in lattice constant between the thin film and the base is used. When such a principle is used, various materials can be used for the lower electrode and the like. Therefore, according to the present invention, the element can be designed with a high degree of freedom.
【0012】また、そのような原理を利用した場合、基
板としてガラス基板を使用することができる。ガラス基
板は透明であるため、光学的な用途への応用も可能であ
る。換言すれば、本発明の技術は、強誘電体メモリだけ
でなく表示装置などの製造においても利用することも可
能である。すなわち、本発明の技術は、極めて応用範囲
が広いと言える。When such a principle is used, a glass substrate can be used as the substrate. Since the glass substrate is transparent, it can be applied to optical uses. In other words, the technology of the present invention can be used not only for manufacturing a ferroelectric memory but also for manufacturing a display device or the like. That is, it can be said that the technology of the present invention has an extremely wide application range.
【0013】さらに、ガラス基板は、シリコン基板など
に比べれば遥かに安価である。加えて、ガラス基板の変
形は、複雑な機構を必要とすることなく実施可能であ
る。したがって、本発明によると、比較的低いコストで
素子を製造することが可能となる。Further, a glass substrate is far less expensive than a silicon substrate or the like. In addition, deformation of the glass substrate can be performed without requiring complicated mechanisms. Therefore, according to the present invention, an element can be manufactured at a relatively low cost.
【0014】本発明においては、例えば、成膜時に基板
をその成膜面側が凸または凹となるように変形させてお
き、ガラス基板及び薄膜の冷却時に基板の変形量を減少
させることにより、薄膜材料が相転移する際に薄膜に応
力を加えることができる。この場合、成膜時に基板をそ
の成膜面が凸となるように変形させておけば、相転移の
際に薄膜に面内圧縮応力が導入される。そのため、立方
晶系から正方晶系への相転移に伴ってc軸が伸びる材料
を用いて成膜した薄膜についてはc軸方向を基板面にほ
ぼ垂直な方向に揃えることができ、立方晶系から正方晶
系への相転移に伴ってc軸が縮む材料を用いて成膜した
薄膜についてはc軸方向を基板面にほぼ平行な方向に揃
えることができる。また、成膜時に基板をその成膜面が
凹となるように変形させておき、ガラス基板及び薄膜の
冷却時に基板の変形量を減少させれば、相転移の際に薄
膜には面内引張応力が導入される。そのため、立方晶系
から正方晶系への相転移に伴ってc軸が伸びる材料を用
いて成膜した薄膜についてはc軸方向を基板面にほぼ平
行な方向に揃えることができ、立方晶系から正方晶系へ
の相転移に伴ってc軸が縮む材料を用いて成膜した薄膜
についてはc軸方向を基板面にほぼ垂直な方向に揃える
ことができる。In the present invention, for example, the substrate is deformed so that the film forming surface side is convex or concave during the film formation, and the amount of deformation of the substrate is reduced when the glass substrate and the thin film are cooled, whereby the thin film is formed. Stress can be applied to the thin film as the material undergoes a phase transition. In this case, if the substrate is deformed at the time of film formation so that the film formation surface becomes convex, an in-plane compressive stress is introduced into the thin film at the time of phase transition. Therefore, for a thin film formed by using a material whose c-axis extends along with the phase transition from the cubic system to the tetragonal system, the c-axis direction can be aligned almost perpendicular to the substrate surface, and the cubic system For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks due to a phase transition from cubic to tetragonal, the c-axis direction can be aligned in a direction substantially parallel to the substrate surface. In addition, if the substrate is deformed so that the film forming surface becomes concave during film formation and the amount of deformation of the substrate is reduced when the glass substrate and the thin film are cooled, the in-plane tension is applied to the thin film during phase transition. Stress is introduced. Therefore, for a thin film formed using a material in which the c-axis extends with the phase transition from the cubic system to the tetragonal system, the c-axis direction can be aligned in a direction substantially parallel to the substrate surface. For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks due to a phase transition from cubic to tetragonal, the c-axis direction can be aligned substantially perpendicular to the substrate surface.
【0015】本発明においては、成膜時に対して冷却時
における基板の変形量をより大きくしてもよい。この場
合、相転移時に基板をその成膜面が凹となるように変形
させれば、相転移の際に薄膜に面内圧縮応力が導入され
る。そのため、立方晶系から正方晶系への相転移に伴っ
てc軸が伸びる材料を用いて成膜した薄膜についてはc
軸方向を基板面にほぼ垂直な方向に揃えることができ、
立方晶系から正方晶系への相転移に伴ってc軸が縮む材
料を用いて成膜した薄膜についてはc軸方向を基板面に
ほぼ平行な方向に揃えることができる。また、成膜時に
対して冷却時において基板がより大きく凸となるように
変形させた場合、相転移の際に薄膜に面内引張応力が導
入されるため、立方晶系から正方晶系への相転移に伴っ
てc軸が伸びる材料を用いて成膜した薄膜についてはc
軸方向を基板面にほぼ平行な方向に揃えることができ、
立方晶系から正方晶系への相転移に伴ってc軸が縮む材
料を用いて成膜した薄膜についてはc軸方向を基板面に
ほぼ垂直な方向に揃えることができる。In the present invention, the amount of deformation of the substrate during cooling may be greater than during film formation. In this case, if the substrate is deformed at the time of the phase transition so that the film forming surface is concave, an in-plane compressive stress is introduced into the thin film at the time of the phase transition. Therefore, for a thin film formed using a material whose c-axis extends with the phase transition from cubic to tetragonal, c
The axial direction can be aligned almost perpendicular to the board surface,
For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks with a phase transition from a cubic system to a tetragonal system, the c-axis direction can be aligned in a direction substantially parallel to the substrate surface. In addition, when the substrate is deformed so as to be more convex during cooling than during film formation, an in-plane tensile stress is introduced into the thin film at the time of phase transition, so that the cubic system changes to a tetragonal system. For a thin film formed using a material whose c-axis extends with phase transition, c
The axial direction can be aligned in a direction almost parallel to the substrate surface,
For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks due to a phase transition from a cubic system to a tetragonal system, the c-axis direction can be aligned substantially perpendicular to the substrate surface.
【0016】さらに、本発明においては、薄膜により大
きな応力を導入するために、成膜時に基板をその成膜面
が凸となるように変形させておき相転移時に基板をその
成膜面が凹となるように変形させるか、或いは、成膜時
に基板をその成膜面が凹となるように変形させておき相
転移時に基板をその成膜面が凸となるように変形させて
もよい。前者の場合、相転移の際に薄膜に面内圧縮応力
が導入されるので、立方晶系から正方晶系への相転移に
伴ってc軸が伸びる材料を用いて成膜した薄膜について
はc軸方向を基板面にほぼ垂直な方向に揃えることがで
き、立方晶系から正方晶系への相転移に伴ってc軸が縮
む材料を用いて成膜した薄膜についてはc軸方向を基板
面にほぼ平行な方向に揃えることができる。また、後者
の場合、相転移の際に薄膜に面内引張応力が導入される
ため、立方晶系から正方晶系への相転移に伴ってc軸が
伸びる材料を用いて成膜した薄膜についてはc軸方向を
基板面にほぼ平行な方向に揃えることができ、立方晶系
から正方晶系への相転移に伴ってc軸が縮む材料を用い
て成膜した薄膜についてはc軸方向を基板面にほぼ垂直
な方向に揃えることができる。Further, in the present invention, in order to introduce a larger stress into the thin film, the substrate is deformed during film formation so that the film forming surface is convex, and the substrate is deformed during the phase transition. Alternatively, the substrate may be deformed so that its film forming surface becomes concave during film formation, and the substrate may be deformed such that its film forming surface becomes convex during phase transition. In the former case, in-plane compressive stress is introduced into the thin film at the time of phase transition. Therefore, for a thin film formed by using a material whose c-axis is elongated due to the phase transition from cubic to tetragonal, c The axial direction can be aligned almost perpendicular to the substrate surface. For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks due to a phase transition from cubic to tetragonal, the c-axis direction is set to the substrate surface. Can be aligned in a direction substantially parallel to. In the latter case, since in-plane tensile stress is introduced into the thin film at the time of phase transition, a thin film formed using a material whose c-axis is elongated due to the phase transition from cubic to tetragonal is used. Can align the c-axis direction to a direction substantially parallel to the substrate surface. For a thin film formed using a material whose c-axis shrinks with the phase transition from cubic to tetragonal, the c-axis direction is They can be aligned in a direction substantially perpendicular to the substrate surface.
【0017】本発明においては、通常、ガラス基板と上
記薄膜との間に拡散防止層が設けられる。また、ガラス
基板と上記薄膜との間或いは拡散防止層と上記薄膜との
間には、金属等からなる電極層などが設けられてもよ
い。In the present invention, a diffusion preventing layer is usually provided between the glass substrate and the thin film. Further, an electrode layer made of metal or the like may be provided between the glass substrate and the thin film or between the diffusion preventing layer and the thin film.
【0018】本発明において、ガラス基板の形状を薄膜
の成膜時と薄膜材料の相転移時との間で異ならしめるた
めに、例えば、ガラス基板の成膜面の裏面側に上記応力
制御層を設けてもよい。また、ガラス基板の成膜面側と
その裏面側とで線膨張係数を異ならしめてもよい。さら
に、ガラス基板の成膜面とその裏面との間で表面積を異
ならしめてもよい。In the present invention, in order to make the shape of the glass substrate different between the time of forming the thin film and the time of the phase transition of the thin film material, for example, the stress control layer is provided on the back surface side of the film forming surface of the glass substrate. It may be provided. Further, the coefficient of linear expansion may be different between the film formation surface side and the back surface side of the glass substrate. Further, the surface area may be different between the film forming surface of the glass substrate and the back surface thereof.
【0019】また、本発明において、ガラス基板の形状
を薄膜の成膜時と薄膜材料の相転移時との間で異ならし
めるために、成膜装置に上記変形機構を設けてもよい。
この変形機構は、基板ホルダに保持されたガラス基板に
可動部材を押し当ててガラス基板を変形させるものであ
ってもよく、或いは、基板の成膜面側とその裏面側との
間に気圧差を形成してガラス基板を変形させるものであ
ってもよい。In the present invention, the above-mentioned deformation mechanism may be provided in the film forming apparatus in order to make the shape of the glass substrate different between the time of forming the thin film and the time of the phase transition of the thin film material.
This deformation mechanism may be one that deforms the glass substrate by pressing a movable member against the glass substrate held by the substrate holder, or a pressure difference between the film forming surface side of the substrate and the back side thereof. May be formed to deform the glass substrate.
【0020】本発明において、ガラス基板に使用するガ
ラスに特に制限はないが、例えば、石英ガラス(5.
5);96%石英ガラス(8);窓ガラス用、板ガラス
用、瓶ガラス用、或いは電球用などのソーダ石灰ガラス
(85〜92);電気、工学用、或いは工芸用などの鉛
ガラス(91);アルミノホウケイ酸ガラス(49);
低膨張、低損失、或いはタングステン封着ホウケイ酸ガ
ラス(32または46);及びアルミノ酸塩ガラス(4
2)などを挙げることができる。なお、これらガラスに
関して括弧内に示す数値は0〜300℃における線膨張
係数(×10-7K -1)である。In the present invention, a gas used for a glass substrate is used.
Although there is no particular limitation on the glass, for example, quartz glass (5.
5); 96% quartz glass (8); for window glass, flat glass
Lime glass for glass, bottle glass, bulbs, etc.
(85-92); Lead for electrical, engineering or craft use
Glass (91); aluminoborosilicate glass (49);
Low expansion, low loss or tungsten sealed borosilicate
Glass (32 or 46); and aluminate glass (4
2) and the like. In addition, these glasses
Numerical values in parentheses indicate linear expansion at 0 to 300 ° C.
Coefficient (× 10-7K -1).
【0021】本発明において、上記薄膜を構成する薄膜
材料としては、例えば複合酸化物などを挙げることがで
き、中でも、一般式ABO3に示す組成を有し且つペロ
ブスカイト構造をとる複合酸化物を用いることが好まし
く、Pb(Zr,Ti)O3に示す組成のチタン酸ジル
コン酸鉛(以下、PZTという)やPZTに数%のLa
を添加した複合酸化物であるPLZTなどを用いること
がより好ましい。In the present invention, as the thin film material constituting the above thin film, for example, a composite oxide can be mentioned. Among them, a composite oxide having a composition represented by the general formula ABO 3 and having a perovskite structure is used. It is preferable that lead zirconate titanate (hereinafter, referred to as PZT) having a composition shown in Pb (Zr, Ti) O 3 or PZT has several percent of La.
It is more preferable to use PLZT, which is a composite oxide to which is added.
【0022】また、本発明においては、上記複合酸化物
として、PbTiO3に示す組成のチタン酸鉛やBaT
iO3に示す組成のチタン酸バリウムのように室温下で
正方晶ペロブスカイト構造を有するものや、Bi4Ti3
O12に示す組成のチタン酸ビスマスのように一般式AB
O3で示されないが室温下で層状ペロブスカイト構造
(単位格子数個分の厚さの正方晶ペロブスカイト構造を
他の層間構造を介在させて積層したもの)を有するもの
なども用いることができる。さらに、本発明において
は、以下の表に示す複合酸化物を用いることも可能であ
る。In the present invention, as the composite oxide, lead titanate having the composition shown in PbTiO 3 or BaT
One having a tetragonal perovskite structure at room temperature, such as barium titanate having the composition shown in iO 3 , and Bi 4 Ti 3
General formula AB such as bismuth titanate having the composition shown in O 12
Although not shown by O 3 , a material having a layered perovskite structure (a tetragonal perovskite structure having a thickness of several unit lattices laminated with another interlayer structure interposed therebetween) at room temperature can be used. Further, in the present invention, it is also possible to use the composite oxides shown in the following table.
【0023】[0023]
【表1】 [Table 1]
【0024】本発明において、ガラス基板の成膜面に形
成する拡散防止層はガラス基板に含まれるアルカリ金属
などの拡散を防止するものであり、その材料としては、
例えば、フォームグラス(8.3);アスベスト;トバ
モライト(−2.0%:920K)やゾノライト(−
2.0%:1270K)のようなケイ酸カルシウム;パ
ーライト;バーミキュライト;シリカ;69%Al2O3
+27%SiO2(5.0:300〜1250K)のよ
うなアルミナ・シリカ;アルミナ(8.0:300〜1
250K);マグネシア(13.0:300〜1250
K);ジルコニア(11.5:300〜1250K);
及びカーボンなどを挙げることができる。なお、これら
材料に関して括弧内に示す数値は熱膨張率(収縮:×1
0-6K-1)である。本発明において、電極層の材料とし
ては、Pt、Ir、Ru、Mo、及びWなどの金属材料
等を用いることができる。In the present invention, the diffusion preventing layer formed on the film-forming surface of the glass substrate prevents the diffusion of alkali metals and the like contained in the glass substrate.
For example, foam glass (8.3); asbestos; tobermorite (-2.0%: 920K) and zonolite (-
2.0%: 1270K) calcium silicate; perlite; vermiculite; silica; 69% Al 2 O 3
+ 27% SiO 2 (5.0: 300~1250K) alumina silicas such as; alumina (8.0: 300-1
250K); magnesia (13.0: 300-1250)
K); zirconia (11.5: 300-1250K);
And carbon. The numerical value in parentheses for these materials is the coefficient of thermal expansion (shrinkage: × 1).
0 -6 K -1 ). In the present invention, as a material of the electrode layer, a metal material such as Pt, Ir, Ru, Mo, and W can be used.
【0025】本発明において、加熱時にガラス基板をそ
の成膜面が凸となるように変形させるのに応力制御層を
利用する場合、拡散防止層の線膨張係数Δl1、応力制
御層の線膨張係数Δl2、拡散防止層の膜厚x1、及び応
力制御層の膜厚x2は、通常、不等式Δl1×x1>Δl2
×x2に示す関係を満足していればよいが、不等式Δl1
>Δl2且つx1>x2に示す関係を満足していることが
より好ましい。この場合、応力制御層の材料は、それら
不等式に示す関係を満足するものであれば特に制限はな
いが、中でも、低膨張或いは無膨張金属酸化物が好まし
い。低膨張或いは無膨張金属酸化物としては、例えば、
酸化チタンまたは酸化ジルコニウムを含有するシリカ−
アルミナ−酸化リチウム系ガラスなどのようなアルミナ
−シリカ系ガラスを挙げることができる。In the present invention, when a stress control layer is used to deform a glass substrate so that its film forming surface becomes convex at the time of heating, the linear expansion coefficient Δl 1 of the diffusion prevention layer and the linear expansion coefficient of the stress control layer are increased. The coefficient Δl 2 , the thickness x 1 of the diffusion prevention layer, and the thickness x 2 of the stress control layer are usually inequalities Δl 1 × x 1 > Δl 2
Xx 2 only needs to be satisfied, but the inequality Δl 1
> Δl 2 and x 1 > x 2 are more preferably satisfied. In this case, the material of the stress control layer is not particularly limited as long as it satisfies the relations shown by the inequalities, and among them, low expansion or non-expansion metal oxide is preferable. As the low expansion or non-expansion metal oxide, for example,
Silica containing titanium oxide or zirconium oxide-
Alumina-silica glass such as alumina-lithium oxide glass can be used.
【0026】また、本発明において、加熱時にガラス基
板をその成膜面が凹となるように変形させるのに応力制
御層を利用する場合、拡散防止層の線膨張係数Δl1、
応力制御層の線膨張係数Δl2、拡散防止層の膜厚x1、
及び応力制御層の膜厚x2は、通常、不等式Δl1×x1
<Δl2×x2に示す関係を満足していればよいが、不等
式Δl1<Δl2且つx1<x2に示す関係を満足している
ことがより好ましい。In the present invention, when a stress control layer is used to deform the glass substrate so that its film-forming surface becomes concave at the time of heating, the linear expansion coefficient Δl 1 of the diffusion prevention layer is reduced.
Linear expansion coefficient Δl 2 of the stress control layer, film thickness x 1 of the diffusion prevention layer,
And thickness x 2 of the stress control layer is typically inequalities Δl 1 × x 1
It suffices that the relationship represented by <Δl 2 × x 2 is satisfied, but more preferably the relationship represented by the inequalities Δl 1 <Δl 2 and x 1 <x 2 is satisfied.
【0027】この応力制御層の機能は、拡散防止層に付
与することも可能である。すなわち、拡散防止層に応力
制御層としての機能を与えることにより、応力制御層を
省略することができる。加熱時にガラス基板をその成膜
面が凸となるように変形させ場合、拡散防止層の材料
は、ガラス基板に比べて線膨張係数がより大きいもので
あればよく、中でも、マグネシアやチタニアのようにガ
ラス基板よりも大きな線膨張係数を有する金属酸化物が
好ましい。The function of the stress control layer can be given to the diffusion preventing layer. That is, by giving the diffusion preventing layer a function as a stress control layer, the stress control layer can be omitted. When the glass substrate is deformed so that its film-forming surface becomes convex at the time of heating, the material of the diffusion prevention layer only needs to have a larger linear expansion coefficient than that of the glass substrate, and especially, such as magnesia and titania. Preferably, a metal oxide having a larger linear expansion coefficient than the glass substrate is used.
【0028】なお、電極層の材料として例示した金属の
多くは、線膨張係数が大きいものの応力制御層の材料と
して使用することはできない。これは、金属層の界面ま
たは金属層内でのスベリ現象によって応力が緩和される
こと、素子構造を形成する際に金属層は素子形状へと加
工されるため応力制御ができない、及び金属自体の結晶
成長などによって応力が緩和されることなどを理由とし
ている。Most of the metals exemplified as the material for the electrode layer have a large linear expansion coefficient, but cannot be used as the material for the stress control layer. This is because stress is relaxed by the sliding phenomenon at the interface of the metal layer or in the metal layer, the metal layer is processed into the element shape when forming the element structure, so that stress cannot be controlled, and the metal itself This is because stress is relaxed by crystal growth or the like.
【0029】本発明において、成膜時と相転移時との間
でガラス基板の形状を異ならしめるために、ガラス基板
の一方の主面側と他方の主面側とで線膨張係数を異なら
しめる場合、そのガラス基板として、互いに線膨張係数
が異なる複数のガラス基板を貼り合わせた積層基板を使
用することができる。例えば、2枚のガラス基板を貼り
合わせた積層基板を使用する場合、一方のガラス基板の
線膨張係数Δl31と他方のガラス基板の線膨張係数Δl
32とが不等式Δl31<Δl32に示す関係を満足していれ
ば、温度変化に応じて積層基板の変形量を変化させるこ
とができる。すなわち、c軸の配向方向を制御すること
が可能となる。また、ガラス基板の一方の主面側と他方
の主面側とで線膨張係数を異ならしめるために、ガラス
基板の組成を成膜面側とその裏面側との間で異ならしめ
てもよい。これは、例えば、ガラス基板の厚さ方向の少
なくとも一部について、構成元素の濃度勾配を形成する
ことなどにより実現可能である。In the present invention, in order to make the shape of the glass substrate different between the time of film formation and the time of phase transition, the linear expansion coefficient is made different on one main surface side and the other main surface side of the glass substrate. In this case, as the glass substrate, a laminated substrate in which a plurality of glass substrates having different linear expansion coefficients from each other can be used. For example, when a laminated substrate obtained by bonding two glass substrates is used, the linear expansion coefficient Δl 31 of one glass substrate and the linear expansion coefficient Δl 31 of the other glass substrate are used.
If 32 satisfies the relationship represented by the inequality expression Δl 31 <Δl 32 , the deformation amount of the laminated substrate can be changed according to the temperature change. That is, it is possible to control the orientation direction of the c-axis. Further, in order to make the linear expansion coefficient different between one main surface side and the other main surface side of the glass substrate, the composition of the glass substrate may be different between the film forming surface side and the back surface side. This can be realized, for example, by forming a concentration gradient of constituent elements in at least a part of the glass substrate in the thickness direction.
【0030】本発明において、成膜時と相転移時との間
でガラス基板の形状を異ならしめるために、ガラス基板
の成膜面とその裏面との間で表面積を異ならしめる場
合、ガラス基板の成膜面の表面積S1がその裏面の表面
積S2よりも小さければよい。In the present invention, in order to make the shape of the glass substrate different between the film formation and the phase transition, when the surface area is different between the film formation surface and the back surface of the glass substrate, surface area S 1 of the film forming surface may be smaller than the surface area S 2 of the rear surface.
【0031】[0031]
【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
しながらより詳細に説明する。なお、各図において、同
一または類似の構成要素に対しては同一の参照符号を付
し、重複する説明は省略する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In each of the drawings, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
【0032】(第1の実施形態)本発明の第1の実施形
態では、室温近傍において正方晶ペロブスカイト構造を
有するチタン酸ジルコン酸鉛[Pb(Zr,Ti)
O3](以下、PZTという)からなる薄膜をガラス基
板上に成膜し、それが立方晶系から正方晶系へと相転移
する際に可動部材を用いてガラス基板を機械的に変形さ
せることにより、PZT薄膜の分極軸の方向を基板面に
垂直な方向に揃えた場合について示す。本発明の第1の
実施形態について詳述するのに先立ち、まずは、ペロブ
スカイト構造のチタン酸ジルコン酸鉛の相転移について
説明する。(First Embodiment) In a first embodiment of the present invention, lead zirconate titanate having a tetragonal perovskite structure near room temperature [Pb (Zr, Ti)
A thin film made of O 3 ] (hereinafter, referred to as PZT) is formed on a glass substrate, and when it undergoes a phase transition from a cubic system to a tetragonal system, the glass substrate is mechanically deformed using a movable member. This shows a case where the direction of the polarization axis of the PZT thin film is aligned with the direction perpendicular to the substrate surface. Prior to describing the first embodiment of the present invention in detail, first, a phase transition of lead zirconate titanate having a perovskite structure will be described.
【0033】図1は、相転移前後のPZTの単位格子を
概略的に示す斜視図である。図1において破線1で示す
ように、成膜直後の高温状態にある薄膜において、PZ
Tの結晶系は立方晶系である。この立方晶系のPZTは
室温近傍にまで冷却する過程で、実線2で示すように正
方晶系へと相転移する。この相転移には、立方晶系の3
つの結晶軸のうちの2つが縮み、残りの1つであるc軸
が延びるという構造変化が伴う。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a unit cell of PZT before and after the phase transition. As shown by the broken line 1 in FIG.
The crystal system of T is cubic. The cubic PZT undergoes a phase transition to a tetragonal system as shown by the solid line 2 in the process of cooling to near room temperature. This phase transition involves a cubic 3
Two of the crystal axes shrink, and the other one, the c-axis, extends, resulting in a structural change.
【0034】図2は、正方晶系のPZTの単位格子を概
略的に示す斜視図である。図2において、参照番号3は
酸素原子(またはイオン)を示し、参照番号4は鉛原子
(またはイオン)を示し、参照番号5はチタンまたはジ
ルコニウム原子(またはイオン)を示している。また、
図2において、両矢印6は強誘電体特性の発現方向(分
極軸方向)を示している。このように、正方晶系のPZ
Tにおいては、c軸方向と分極軸方向とは一致してい
る。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a unit cell of tetragonal PZT. In FIG. 2, reference numeral 3 indicates an oxygen atom (or ion), reference numeral 4 indicates a lead atom (or ion), and reference numeral 5 indicates a titanium or zirconium atom (or ion). Also,
In FIG. 2, a double arrow 6 indicates a direction in which the ferroelectric characteristics are developed (a polarization axis direction). Thus, the tetragonal PZ
At T, the c-axis direction matches the polarization axis direction.
【0035】ところで、強誘電体キャパシタにおいて
は、分極軸方向は強誘電体薄膜の膜面に垂直であること
が望まれる。したがって、このような場合、c軸方向は
強誘電体薄膜の全体にわたって膜面に垂直な方向に揃え
られていることが理想的である。これについては、図3
を参照しながら説明する。Incidentally, in a ferroelectric capacitor, it is desirable that the polarization axis direction is perpendicular to the film surface of the ferroelectric thin film. Therefore, in such a case, it is ideal that the c-axis direction is aligned in a direction perpendicular to the film surface over the entire ferroelectric thin film. This is illustrated in FIG.
This will be described with reference to FIG.
【0036】図3は、本発明の第1の実施形態に係る成
膜方法を用いることにより製造される強誘電体キャパシ
タを概略的に示す断面図である。図3に示す強誘電体キ
ャパシタ10は、ガラス基板11の一方の主面上に、下
部電極層12、PZTからなる強誘電体薄膜13、及び
上部電極層14が順次積層された構造を有している。こ
の強誘電体キャパシタ10では、強誘電体薄膜13の分
極方向を、図中、上向きと下向きとの間で変化させるこ
とにより、データの記憶や消去が行われる。そのため、
この強誘電体キャパシタ10において強誘電体薄膜13
の強誘電性を有効利用するためには、強誘電体薄膜13
の分極軸の方向,すなわちc軸の方向,が基板面に垂直
な方向に揃えられていることが望まれる。FIG. 3 is a sectional view schematically showing a ferroelectric capacitor manufactured by using the film forming method according to the first embodiment of the present invention. The ferroelectric capacitor 10 shown in FIG. 3 has a structure in which a lower electrode layer 12, a ferroelectric thin film 13 made of PZT, and an upper electrode layer 14 are sequentially laminated on one main surface of a glass substrate 11. ing. In the ferroelectric capacitor 10, data is stored and erased by changing the polarization direction of the ferroelectric thin film 13 between upward and downward in the figure. for that reason,
In this ferroelectric capacitor 10, the ferroelectric thin film 13
In order to effectively utilize the ferroelectricity of
It is desired that the direction of the polarization axis, that is, the direction of the c-axis, is aligned in the direction perpendicular to the substrate surface.
【0037】図4は、c軸方向が膜面に垂直な方向に揃
えられた強誘電体薄膜13を概略的に示す側面図であ
る。成膜直後の立方晶系の結晶構造1を正方晶系の結晶
構造2へと相転移させるに当たり、この図に示すよう
に、c軸方向を膜面に垂直な方向に揃えることができれ
ば、正方晶系のPZTが潜在的に持つ強誘電性を最大限
に利用することができる。しかしながら、PZTが相転
移する際に基板11などから薄膜13に対して何等拘束
力が働かないとすると、c軸方向を膜面に垂直な方向に
揃えることは不可能である。FIG. 4 is a side view schematically showing the ferroelectric thin film 13 in which the c-axis direction is aligned in a direction perpendicular to the film surface. When the cubic crystal structure 1 immediately after film formation undergoes a phase transition to the tetragonal crystal structure 2, as shown in this figure, if the c-axis direction can be aligned in a direction perpendicular to the film surface, a square The potential ferroelectricity of the crystalline PZT can be maximized. However, if no restraining force acts on the thin film 13 from the substrate 11 or the like during the phase transition of PZT, it is impossible to align the c-axis direction to the direction perpendicular to the film surface.
【0038】図5は、拘束力を作用させない場合に得ら
れる強誘電体薄膜13を概略的に示す側面図である。P
ZTが相転移する際に薄膜13に拘束力を作用させない
場合、図5に示すように、強誘電体薄膜13の分極軸方
向は一方向に制御されず、概略的には、膜面に垂直な方
向に分極する割合を1とすると、膜面に平行な方向に分
極する割合が2となる。すなわち、図5に示す強誘電体
薄膜13では、PZTが本来有している強誘電体特性を
十分に発揮することができない。FIG. 5 is a side view schematically showing a ferroelectric thin film 13 obtained when no binding force is applied. P
When no binding force acts on the thin film 13 during the phase transition of ZT, as shown in FIG. 5, the polarization axis direction of the ferroelectric thin film 13 is not controlled in one direction, and is roughly perpendicular to the film surface. Assuming that the ratio of polarization in any direction is 1, the ratio of polarization in a direction parallel to the film surface is 2. That is, the ferroelectric thin film 13 shown in FIG. 5 cannot sufficiently exhibit the ferroelectric characteristics inherent to PZT.
【0039】そこで、本実施形態では、成膜時に可動部
材を用いてガラス基板11をその成膜面が凸となるよう
に機械的に湾曲させておき、相転移温度近傍でガラス基
板11を平坦またはそれに近い状態へと戻すことによ
り、c軸方向を膜面に垂直な方向に揃える。これについ
ては、図6を参照しながら説明する。Therefore, in the present embodiment, the glass substrate 11 is mechanically curved using a movable member at the time of film formation so that the film formation surface is convex, and the glass substrate 11 is flattened near the phase transition temperature. Alternatively, by returning to a state close to that, the c-axis direction is aligned with the direction perpendicular to the film surface. This will be described with reference to FIG.
【0040】図6は、本発明の第1の実施形態に係る成
膜方法を概略的に示す側面図である。図1を参照しなが
ら説明したように、立方晶系の結晶構造1から正方晶系
の結晶構造2への相転移は、2つの結晶軸の収縮と1つ
の結晶軸の伸長とを伴う。したがって、図4に示す結晶
構造2のように、正方晶系のc軸方向を膜面に垂直な方
向に揃えるには、図6に示すように、ガラス基板11を
その成膜面が凸となるように湾曲させて薄膜13を成膜
し、相転移温度近傍でガラス基板11を平坦またはそれ
に近い状態へと戻すことにより、薄膜13に対してその
膜面に平行な方向に圧縮応力を加えればよい。FIG. 6 is a side view schematically showing a film forming method according to the first embodiment of the present invention. As described with reference to FIG. 1, the phase transition from the cubic crystal structure 1 to the tetragonal crystal structure 2 involves contraction of two crystal axes and elongation of one crystal axis. Therefore, in order to align the tetragonal c-axis direction to the direction perpendicular to the film surface as in the crystal structure 2 shown in FIG. 4, the glass substrate 11 must have a film-forming surface having a convex shape as shown in FIG. By forming the thin film 13 by bending so that the glass substrate 11 returns to a flat or close state near the phase transition temperature, compressive stress is applied to the thin film 13 in a direction parallel to the film surface. I just need.
【0041】なお、湾曲させたガラス基板11は、成膜
完了後から相転移が生じる前のいずれの段階で平坦また
はそれに近い状態へと戻してもよいが、ガラス基板11
を湾曲させている応力を薄膜13へ加える圧縮応力とし
て有効利用するためには、相転移が生じる直前に平坦ま
たはそれに近い状態へと戻すことが最も効果的である。
すなわち、例えば、基板内での温度分布を考慮して相転
移温度よりも5℃程度高い温度にまで冷却されたときに
ガラス基板11を平坦またはそれに近い状態へと戻すこ
とにより、c軸の方向を効果的に制御することができ
る。Note that the curved glass substrate 11 may be returned to a flat or nearly flat state at any stage after the completion of film formation and before phase transition occurs.
In order to effectively use the stress that is bending the film as the compressive stress applied to the thin film 13, it is most effective to return the state to a flat state or a state close to the state immediately before the phase transition occurs.
That is, for example, when the glass substrate 11 is cooled to a temperature higher than the phase transition temperature by about 5 ° C. in consideration of the temperature distribution in the substrate, the glass substrate 11 is returned to a flat state or a state close to the flat state. Can be effectively controlled.
【0042】以上説明した成膜プロセスは、図7に示す
成膜装置を用いて実施することができる。図7は、本発
明の第1の実施形態に係る成膜装置を概略的に示す図で
ある。図7に示す成膜装置20は、マグネトロンRFス
パッタ装置である。この成膜装置20は反応容器21を
有しており、反応容器21には給気口22及び排気口2
3が設けられている。なお、給気口22にはスパッタガ
ス供給源が接続されており、排気口23には排気系が接
続されている(いずれも図示せず)。反応容器21内に
は、ガラス基板11を保持する基板ホルダ24とスパッ
タターゲット25とが対向するように配置されている。
この装置20は、さらに、ターゲット25に電力を供給
するRF電源26及びターゲット25の表面への電子ト
ラップを可能とする磁場形成用磁石27を有している。The film forming process described above can be carried out using a film forming apparatus shown in FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing a film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. The film forming apparatus 20 shown in FIG. 7 is a magnetron RF sputtering apparatus. The film forming apparatus 20 has a reaction container 21. The reaction container 21 has an air supply port 22 and an exhaust port 2.
3 are provided. The supply port 22 is connected to a sputtering gas supply source, and the exhaust port 23 is connected to an exhaust system (both are not shown). In the reaction vessel 21, a substrate holder 24 holding the glass substrate 11 and a sputter target 25 are arranged so as to face each other.
The apparatus 20 further includes an RF power supply 26 for supplying power to the target 25 and a magnet 27 for forming a magnetic field capable of trapping electrons on the surface of the target 25.
【0043】図8は、図7に示す成膜装置20の基板ホ
ルダ24を拡大して示す断面図である。図8に示す基板
ホルダ24は、ガラス基板11が載置されるサセプタ3
1と、ガラス基板11の周縁部を支持してガラス基板1
1をサセプタ31上に固定する押え部材32とを有して
いる。サセプタ31の中央部には貫通した穴が設けられ
ており、この穴の中には、可動部材として、モータのよ
うな駆動機構33に接続された応力印加カム34が上下
に移動可能に配置されている。FIG. 8 is an enlarged sectional view showing the substrate holder 24 of the film forming apparatus 20 shown in FIG. The susceptor 3 on which the glass substrate 11 is placed is a substrate holder 24 shown in FIG.
1 and the periphery of the glass substrate 11 to support the glass substrate 1
And a pressing member 32 for fixing the fixing member 1 on the susceptor 31. A penetrating hole is provided in the center of the susceptor 31. In this hole, a stress applying cam 34 connected to a driving mechanism 33 such as a motor as a movable member is disposed so as to be able to move up and down. ing.
【0044】以上説明した装置20を用いた成膜は、例
えば、以下の方法により行うことができる。まず、ガラ
ス基板11を、その成膜面がスパッタターゲット25と
対向するように基板ホルダ24に保持させた。なお、こ
こでは、相転移温度が380℃程度の強誘電体薄膜13
が得られるように理論組成比(Zr:Tiが約1:1)
を設定し、スパッタターゲット25としては、鉛含有量
を理論組成比よりも多くしたPZT焼結体を用いた。次
に、排気系により反応容器21内を所定の圧力にまで減
圧するのとともに、スパッタガス供給源から反応容器2
1内にスパッタガスを供給した。The film formation using the apparatus 20 described above can be performed, for example, by the following method. First, the glass substrate 11 was held on the substrate holder 24 such that the film formation surface thereof was opposed to the sputter target 25. Here, the ferroelectric thin film 13 having a phase transition temperature of about 380 ° C.
To obtain the theoretical composition ratio (Zr: Ti is about 1: 1)
And a PZT sintered body having a lead content higher than the theoretical composition ratio was used as the sputter target 25. Next, the inside of the reaction vessel 21 is reduced to a predetermined pressure by an exhaust system, and the reaction vessel 2 is supplied from a sputtering gas supply source.
1 was supplied with a sputtering gas.
【0045】次いで、モータ33に電力を供給して応力
印加カム34を若干量上昇させた。これにより、ガラス
基板11をその成膜面が凸となるように撓ませた。その
後、RF電源26からターゲット25にRF電力を供給
してガラス基板11上にPZTを堆積させることにより
立方晶系の強誘電体薄膜13を得た。この強誘電体薄膜
13の成膜時の基板温度は600℃程度とした。Next, electric power was supplied to the motor 33 to raise the stress applying cam 34 a little. As a result, the glass substrate 11 was bent such that the film forming surface became convex. Thereafter, RF power was supplied from the RF power source 26 to the target 25 to deposit PZT on the glass substrate 11, thereby obtaining the cubic ferroelectric thin film 13. The substrate temperature at the time of forming the ferroelectric thin film 13 was about 600 ° C.
【0046】強誘電体薄膜13の成膜を完了した後、タ
ーゲット25への電力供給等を停止し、ガラス基板11
を冷却した。ガラス基板11が相転移温度の近傍,例え
ば385℃程度,にまで冷却された時点で、応力印加カ
ム34を下降させて、ガラス基板11を平坦な状態へと
戻した。この状態でさらに相転移温度よりも低温に冷却
することにより、強誘電体薄膜13が立方晶系から正方
晶系へと相転移する際に、強誘電体薄膜13に対して面
内圧縮応力を印加した。すなわち、c軸方向を膜面に垂
直な方向に揃えることができた。After the formation of the ferroelectric thin film 13 is completed, power supply to the target 25 is stopped, and the glass substrate 11
Was cooled. When the glass substrate 11 was cooled to a temperature near the phase transition temperature, for example, about 385 ° C., the stress applying cam 34 was lowered to return the glass substrate 11 to a flat state. In this state, by further cooling to a temperature lower than the phase transition temperature, when the ferroelectric thin film 13 undergoes a phase transition from a cubic system to a tetragonal system, an in-plane compressive stress is applied to the ferroelectric thin film 13. Applied. That is, the c-axis direction could be aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【0047】(第2の実施形態)上述した第1の実施形
態では、応力印加カム34を押し当てることによりガラ
ス基板11を変形させたが、他の方法でガラス基板11
を変形させることも可能である。以下に説明する第2の
実施形態では、ガラス基板11の成膜面側とその裏面側
との間に気圧差を形成してガラス基板11を変形させる
場合を示す。(Second Embodiment) In the first embodiment described above, the glass substrate 11 is deformed by pressing the stress applying cam 34. However, the glass substrate 11 is deformed by another method.
Can also be transformed. In the second embodiment described below, a case is described in which a pressure difference is formed between the film forming surface side of the glass substrate 11 and the back side thereof to deform the glass substrate 11.
【0048】図9は、本発明の第2の実施形態に係る成
膜装置を概略的に示す図である。図9に示す成膜装置2
0は、基板ホルダ24の構造が異なること以外は、図7
に示す成膜装置20と同様に構成されている。FIG. 9 is a view schematically showing a film forming apparatus according to the second embodiment of the present invention. Film forming apparatus 2 shown in FIG.
0 is the same as FIG. 7 except that the structure of the substrate holder 24 is different.
Has the same configuration as the film forming apparatus 20 shown in FIG.
【0049】図10は、図9に示す成膜装置20の基板
ホルダ24を拡大して示す断面図である。図10に示す
基板ホルダ24は、ガラス基板11が載置されるサセプ
タ31と、ガラス基板11の周囲を支持してガラス基板
11をサセプタ31上に固定する押え部材32とを有し
ている。本実施形態において、この押え部材32は、ガ
ラス基板11を、その周縁部においてガラス基板11と
サセプタ31との間へのガスの出入りが殆ど生じないよ
うに支持する。また、本実施形態においては、サセプタ
31の載置面中央は平面ではなく凹面であり、サセプタ
31の中央部には複数の貫通孔が設けられている。サセ
プタ31の載置面の裏面には給気系36及び排気系37
が取り付けられており、給気系36を駆動することによ
りそれら貫通孔を介してガスをガラス基板11とサセプ
タ31との間に形成される空間内へと供給すること、或
いは、排気系37を駆動することによりその空間内のガ
スをそれら貫通孔を介して排気することが可能である。FIG. 10 is an enlarged sectional view showing the substrate holder 24 of the film forming apparatus 20 shown in FIG. The substrate holder 24 shown in FIG. 10 includes a susceptor 31 on which the glass substrate 11 is placed, and a pressing member 32 that supports the periphery of the glass substrate 11 and fixes the glass substrate 11 on the susceptor 31. In the present embodiment, the pressing member 32 supports the glass substrate 11 so that gas does not enter and exit between the glass substrate 11 and the susceptor 31 at the peripheral edge thereof. In the present embodiment, the center of the mounting surface of the susceptor 31 is not a flat surface but a concave surface, and a plurality of through holes are provided in the center of the susceptor 31. An air supply system 36 and an exhaust system 37 are provided on the back of the mounting surface of the susceptor 31.
The gas supply system 36 is driven to supply gas into the space formed between the glass substrate 11 and the susceptor 31 through the through holes, or the exhaust system 37 is driven. By driving, it is possible to exhaust gas in the space through the through holes.
【0050】本実施形態では、ガラス基板11を変形さ
せるための手段が異なること以外は、第1の実施形態で
説明したのと同様の方法で強誘電体薄膜13の成膜を行
った。したがって、本実施形態に係る成膜方法について
は、ガラス基板11の変形工程について主に説明する。In this embodiment, the ferroelectric thin film 13 is formed by the same method as described in the first embodiment, except that the means for deforming the glass substrate 11 is different. Therefore, in the film forming method according to the present embodiment, a description will be given mainly of the deformation process of the glass substrate 11.
【0051】図11は、図10に示す基板ホルダ24を
用いてガラス基板11をその成膜面が凸となるように湾
曲させた状態を概略的に示す断面図である。本実施形態
では、図11に示すように、成膜時にガラス基板11を
その成膜面が凸となるように変形させるために、例え
ば、給気系36のみを駆動して、ガラス基板11とサセ
プタ31との間に形成される空間内の気圧を、ガラス基
板11の成膜面側の気圧に対して相対的に高圧とした。
ガラス基板11は、その周縁部を押え部材32によって
支持されているので、このような気圧差が形成されるこ
とにより、その成膜面が凸となるように変形した。ま
た、変形したガラス基板11を相転移の直前に平坦な状
態へと戻すためには、給気系36を停止させることや給
気系36を停止させ且つ排気系37を駆動することなど
により、ガラス基板11とサセプタ31との間に形成さ
れる空間と、ガラス基板11の成膜面側の空間との間の
気圧差を減少させればよい。このような方法でガラス基
板11を変形させても、第1の実施形態で説明したのと
同様の効果を得ることができた。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the glass substrate 11 is curved using the substrate holder 24 shown in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, in order to deform the glass substrate 11 during film formation so that the film formation surface becomes convex, for example, only the air supply system 36 is driven, and The pressure in the space formed between the susceptor 31 and the susceptor 31 was set to be relatively higher than the pressure on the film forming surface side of the glass substrate 11.
Since the periphery of the glass substrate 11 is supported by the pressing member 32, such a pressure difference is formed, so that the film forming surface is deformed to be convex. In addition, in order to return the deformed glass substrate 11 to a flat state immediately before the phase transition, the air supply system 36 is stopped, the air supply system 36 is stopped, and the exhaust system 37 is driven. The pressure difference between the space formed between the glass substrate 11 and the susceptor 31 and the space on the film forming surface side of the glass substrate 11 may be reduced. Even when the glass substrate 11 is deformed by such a method, the same effect as that described in the first embodiment can be obtained.
【0052】(第3の実施形態)図12は、本発明の第
3の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す側面図であ
る。上述した第1及び第2の実施形態では、成膜時にガ
ラス基板11をその成膜面が凸となるように変形させ、
相転移温度近傍でガラス基板11を平坦な状態へと戻す
ことにより、相転移の際に薄膜13に圧縮応力を導入し
た。それに対し、第3の実施形態では、成膜時にはガラ
ス基板11を平坦な状態に維持し、相転移温度近傍で図
12に示すようにガラス基板11をその成膜面が凹とな
るように変形させることにより、相転移の際に薄膜13
に圧縮応力を導入する。(Third Embodiment) FIG. 12 is a side view schematically showing a film forming method according to a third embodiment of the present invention. In the first and second embodiments described above, at the time of film formation, the glass substrate 11 is deformed so that its film formation surface becomes convex,
By returning the glass substrate 11 to a flat state near the phase transition temperature, a compressive stress was introduced into the thin film 13 during the phase transition. On the other hand, in the third embodiment, the glass substrate 11 is kept flat during the film formation, and the glass substrate 11 is deformed near the phase transition temperature so that the film formation surface becomes concave as shown in FIG. In this way, the thin film 13
To introduce compressive stress.
【0053】このようなガラス基板11の変形操作に
は、例えば、図10に示す基板ホルダ24を利用するこ
とができる。以下、図9に示す成膜装置10を用いた場
合を例に説明する。For such a deformation operation of the glass substrate 11, for example, a substrate holder 24 shown in FIG. 10 can be used. Hereinafter, a case where the film forming apparatus 10 shown in FIG. 9 is used will be described as an example.
【0054】図13は、図10に示す基板ホルダ24を
用いてガラス基板11をその成膜面が凹となるように湾
曲させた状態を概略的に示す断面図である。本実施形態
では、図10に示すように、成膜時には、ガラス基板1
1が平坦な状態となるように、給気系36及び排気系3
7の双方を停止した状態とするか、或いは、ガラス基板
11が自重で撓む場合は給気系36を駆動する。また、
図13に示すように、ガラス基板11を相転移の直前に
その成膜面が凹となるように変形させるためには、例え
ば、排気系37のみを駆動して、ガラス基板11とサセ
プタ31との間に形成される空間内の気圧を、ガラス基
板11の成膜面側の気圧に対して相対的に低圧とする。
このようにして形成される気圧差とガラス基板11の自
重とによって、ガラス基板11はサセプタ31の凹面に
沿って変形する。このような方法を採用した場合におい
ても、第1及び第2の実施形態で説明したのと同様の効
果を得ることができる。FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the glass substrate 11 is curved using the substrate holder 24 shown in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG.
The air supply system 36 and the exhaust system 3
7 is stopped, or when the glass substrate 11 is bent by its own weight, the air supply system 36 is driven. Also,
As shown in FIG. 13, in order to deform the glass substrate 11 so that its film-forming surface becomes concave immediately before the phase transition, for example, only the exhaust system 37 is driven so that the glass substrate 11 and the susceptor 31 The pressure in the space formed between them is relatively lower than the pressure on the film forming surface side of the glass substrate 11.
The glass substrate 11 is deformed along the concave surface of the susceptor 31 due to the pressure difference thus formed and the weight of the glass substrate 11. Even when such a method is employed, the same effects as those described in the first and second embodiments can be obtained.
【0055】(第4の実施形態)以上説明した第1〜第
3の実施形態では、成膜装置20に設けられた変形機構
を用いてガラス基板11を変形させた。それに対し、本
発明の第4の実施形態では、ガラス基板11の成膜面の
裏面側に応力制御層を設けてガラス基板11を変形させ
る。(Fourth Embodiment) In the first to third embodiments described above, the glass substrate 11 is deformed by using the deformation mechanism provided in the film forming apparatus 20. On the other hand, in the fourth embodiment of the present invention, the glass substrate 11 is deformed by providing a stress control layer on the back surface side of the film formation surface of the glass substrate 11.
【0056】図14は、本発明の第4の実施形態で使用
するガラス基板11を概略的に示す断面図である。図1
4に示すガラス基板11の一方の主面には、ガラス基板
11中に含まれるアルカリ金属等の拡散を防止する拡散
防止層41が形成されている。また、ガラス基板11の
拡散防止層41が形成された面の裏面には、応力制御層
42が形成されている。なお、図14に示す構造におい
て、拡散防止層41の線膨張係数Δl1と応力制御層4
2の線膨張係数Δl2とは不等式Δl1>Δl2に示す関
係を満足し且つ拡散防止層41の膜厚x1と応力制御層
42の膜厚x2とは不等式x1>x2に示す関係を満足し
ている。FIG. 14 is a sectional view schematically showing a glass substrate 11 used in the fourth embodiment of the present invention. FIG.
On one main surface of the glass substrate 11 shown in FIG. 4, a diffusion prevention layer 41 for preventing diffusion of alkali metals and the like contained in the glass substrate 11 is formed. A stress control layer 42 is formed on the back surface of the glass substrate 11 on which the diffusion prevention layer 41 is formed. In the structure shown in FIG. 14, the linear expansion coefficient Δl 1 of the diffusion prevention layer 41 and the stress control layer 4
The linear expansion coefficient Δl 2 satisfies the relationship represented by the inequality expression Δl 1 > Δl 2 , and the film thickness x 1 of the diffusion prevention layer 41 and the film thickness x 2 of the stress control layer 42 satisfy the inequality expression x 1 > x 2 . I am satisfied with the relationship shown.
【0057】図15(a)〜(c)は、それぞれ、図1
4に示すガラス基板11上への強誘電体薄膜13の成膜
プロセスを概略的に示す断面図である。拡散防止層41
及び応力制御層42が線膨張係数及び膜厚に関して上述
した関係を満たす場合、図15(a)に示すようにガラ
ス基板11が常温で平坦であるとすると、図15(b)
に示すように加熱することによってガラス基板11は拡
散防止層41側が凸となるように湾曲する。ガラス基板
11の変形量は基板温度が高いほど大きいので、図15
(b)に示す状態でガラス基板11の拡散防止層41上
に薄膜13を成膜すれば、ガラス基板11は冷却される
ことにより図15(c)に示すように変形量が減少す
る。これにより、相転移の際に薄膜13に面内圧縮応力
を導入して、c軸方向を膜面に垂直な方向に揃えること
ができる。FIGS. 15A to 15C respectively show FIGS.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a process of forming a ferroelectric thin film 13 on a glass substrate 11 shown in FIG. Diffusion prevention layer 41
When the stress control layer 42 satisfies the above-described relationship with respect to the coefficient of linear expansion and the film thickness, if the glass substrate 11 is flat at normal temperature as shown in FIG.
By heating as shown in FIG. 7, the glass substrate 11 bends so that the diffusion prevention layer 41 side becomes convex. Since the amount of deformation of the glass substrate 11 increases as the substrate temperature increases, FIG.
If the thin film 13 is formed on the diffusion prevention layer 41 of the glass substrate 11 in the state shown in FIG. 15B, the glass substrate 11 is cooled and the amount of deformation is reduced as shown in FIG. Thereby, an in-plane compressive stress is introduced into the thin film 13 at the time of phase transition, and the c-axis direction can be aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【0058】例えば、一方の主面に厚さが100nm程
度であり線膨張係数が6×10-7K -1程度のSiOxか
らなる拡散防止層41が形成されたガラス基板11を準
備する。なお、ここでは、ガラス基板11の材料として
線膨張係数が4×10-5K-1程度のアルミノホウケイ酸
塩を用いることとする。この拡散防止層41上にPZT
からなる強誘電体薄膜13を600℃程度の温度で成膜
する場合、ガラス基板11の拡散防止層41が設けられ
た面の裏面には、例えば、厚さが300nm程度であり
線膨張係数がほぼゼロである低膨張ガラスからなる応力
制御層42を形成することにより、相転移の際(380
℃程度)に薄膜13に面内圧縮応力を導入して、c軸方
向を膜面に垂直な方向に揃えることができる。For example, one main surface has a thickness of about 100 nm.
Degree and linear expansion coefficient is 6 × 10-7K -1About SiOxOr
The glass substrate 11 on which the diffusion prevention layer 41 made of
Be prepared. Here, as the material of the glass substrate 11,
Linear expansion coefficient is 4 × 10-FiveK-1Degree of aluminoborosilicate
A salt will be used. PZT is formed on the diffusion prevention layer 41.
Of ferroelectric thin film 13 made of
In this case, the diffusion prevention layer 41 of the glass substrate 11 is provided.
On the back side of the surface, for example, the thickness is about 300 nm
Stress from low expansion glass with nearly zero linear expansion coefficient
By forming the control layer 42, the phase transition (380
(Approx. ° C.) to introduce in-plane compressive stress into the thin film
The directions can be aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【0059】(第5の実施形態)上述した第4の実施形
態では、ガラス基板11は、成膜時及び相転移時の双方
において、その成膜面が凸となるように変形されてい
る。そのため、相転移の際に薄膜13に十分な面内圧縮
応力を導入するためには、成膜時にガラス基板11を極
めて大きく変形させなければならないことがある。本発
明の第5の実施形態は、そのような場合に有効である。(Fifth Embodiment) In the above-described fourth embodiment, the glass substrate 11 is deformed so that its film-forming surface becomes convex both during film formation and during phase transition. Therefore, in order to introduce a sufficient in-plane compressive stress to the thin film 13 during the phase transition, the glass substrate 11 may have to be extremely deformed during the film formation. The fifth embodiment of the present invention is effective in such a case.
【0060】図16(a)〜(e)は、それぞれ、本発
明の第5の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面
図である。実施形態に係る成膜方法では、まず、図16
(a)に示すように、常温で平坦であり、一方の主面に
拡散防止層41が設けられたガラス基板11を準備す
る。次に、このガラス基板11を、例えば、後で成膜す
る強誘電体薄膜13の相転移温度(PZTの場合は38
0℃程度)よりも低温(例えば、200℃程度)に加熱
する。通常、拡散防止層41の熱膨張係数はガラス基板
11の熱膨張係数よりも小さい。そのため、ガラス基板
11は、図16(b)に示すように、拡散防止層41が
設けられた面が凹となるように変形する。FIGS. 16A to 16E are cross-sectional views schematically showing a film forming method according to the fifth embodiment of the present invention. In the film forming method according to the embodiment, first, FIG.
As shown in (a), a glass substrate 11 which is flat at room temperature and has a diffusion prevention layer 41 provided on one main surface is prepared. Next, the glass substrate 11 is formed, for example, by using a phase transition temperature (38 in the case of PZT) of the ferroelectric thin film 13 to be formed later.
(About 0 ° C.) or lower (for example, about 200 ° C.). Usually, the thermal expansion coefficient of the diffusion prevention layer 41 is smaller than the thermal expansion coefficient of the glass substrate 11. Therefore, as shown in FIG. 16B, the glass substrate 11 is deformed so that the surface on which the diffusion preventing layer 41 is provided is concave.
【0061】本実施形態に係る方法では、図16(c)
に示すように、この状態で、ガラス基板11の拡散防止
層41が設けられた面の裏面に第4の実施形態で説明し
たのと同様の応力制御層42を成膜する。上述のよう
に、拡散防止層41の線膨張係数Δl1と応力制御層4
2の線膨張係数Δl2とは不等式Δl1>Δl2に示す関
係を満足し且つ拡散防止層41の膜厚x1と応力制御層
42の膜厚x2とは不等式x 1>x2に示す関係を満足し
ている。そのため、基板温度を上昇させること(例え
ば、PZTの相転移温度である380℃程度にまで上昇
させること)によりガラス基板11の変形量は図16
(d)に示すように減少し、さらに温度を上昇させるこ
と(例えば、600℃程度まで)により、図16(e)
に示すようにガラス基板11は拡散防止層41側が凸と
なるように変形する。In the method according to the present embodiment, FIG.
In this state, the diffusion of the glass substrate 11 is prevented as shown in FIG.
The fourth embodiment will be described on the back surface of the surface on which the layer 41 is provided.
The same stress control layer 42 as that described above is formed. As mentioned above
The linear expansion coefficient Δl of the diffusion prevention layer 411And stress control layer 4
Coefficient of linear expansion Δl of 2TwoIs the inequality Δl1> ΔlTwoSeki shown in
And the thickness x of the diffusion prevention layer 411And stress control layer
Film thickness x of 42TwoIs the inequality x 1> XTwoSatisfy the relationship shown in
ing. Therefore, raising the substrate temperature (for example,
Rises to about 380 ° C, the phase transition temperature of PZT
The amount of deformation of the glass substrate 11 is
As shown in (d), the temperature must be decreased and the temperature further increased.
(For example, up to about 600 ° C.), FIG.
As shown in the figure, the glass substrate 11 has the diffusion prevention layer 41 side convex.
Deform to become.
【0062】したがって、例えば、相転移温度でガラス
基板11が平坦となるように応力制御層42の成膜温度
などを適宜設定すれば、薄膜13の成膜の際にガラス基
板11を大きく変形させる必要がなく、図16(e)に
示す程度の変形量で薄膜13に対して十分な面内圧縮応
力を導入することができる。すなわち、本実施形態によ
ると、c軸方向を膜面に垂直な方向に揃えることができ
るのに加え、ガラス基板11の変形に起因するガラス基
板11や各種薄膜の劣化を防止することが可能となる。Therefore, for example, if the film forming temperature of the stress control layer 42 is appropriately set so that the glass substrate 11 becomes flat at the phase transition temperature, the glass substrate 11 is largely deformed when the thin film 13 is formed. It is not necessary, and a sufficient in-plane compressive stress can be introduced to the thin film 13 with a deformation amount as shown in FIG. That is, according to the present embodiment, in addition to being able to align the c-axis direction to the direction perpendicular to the film surface, it is possible to prevent the glass substrate 11 and various thin films from being deteriorated due to the deformation of the glass substrate 11. Become.
【0063】(第6の実施形態)上記第4及び第5の実
施形態では、ガラス基板11の拡散防止層41を設けた
面の裏面に応力制御層42を形成した。それに対し、本
発明の第6の実施形態では、拡散防止層に応力制御層と
しての機能を与えることにより、応力制御層42を省略
する。(Sixth Embodiment) In the fourth and fifth embodiments, the stress control layer 42 is formed on the back surface of the glass substrate 11 on which the diffusion prevention layer 41 is provided. On the other hand, in the sixth embodiment of the present invention, the stress control layer 42 is omitted by giving the diffusion preventing layer a function as a stress control layer.
【0064】図17(a)〜(c)は、それぞれ、本発
明の第6の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面
図である。実施形態に係る成膜方法では、まず、図17
(a)に示すように、常温で平坦であり、一方の主面に
拡散防止層45が設けられたガラス基板11を準備す
る。なお、本実施形態で使用する拡散防止層45は、第
4及び第5の実施形態で使用した拡散防止層41とは異
なっている。すなわち、この拡散防止層45は、ガラス
基板11よりも大きな線膨張係数を有している。本実施
形態では、拡散防止層45として、膜厚100nm程度
のマグネシア(線膨張係数:1×10-5K-1)を使用し
た。FIGS. 17A to 17C are sectional views schematically showing a film forming method according to the sixth embodiment of the present invention. In the film forming method according to the embodiment, first, FIG.
As shown in (a), a glass substrate 11 that is flat at room temperature and has a diffusion prevention layer 45 provided on one main surface is prepared. Note that the diffusion prevention layer 45 used in this embodiment is different from the diffusion prevention layer 41 used in the fourth and fifth embodiments. That is, the diffusion preventing layer 45 has a larger linear expansion coefficient than the glass substrate 11. In the present embodiment, magnesia (linear expansion coefficient: 1 × 10 −5 K −1 ) having a thickness of about 100 nm is used as the diffusion prevention layer 45.
【0065】このような構成によると、応力制御層42
を別途設けることなく、加熱することによりガラス基板
11をその拡散防止層45が設けられた面が凸となるよ
うに変形させることができる。したがって、図17
(b)に示す状態でガラス基板11の拡散防止層45上
に薄膜13を成膜すれば、ガラス基板11は冷却される
ことにより図17(c)に示すように変形量が減少する
ため、相転移の際に薄膜13に面内圧縮応力を導入する
こと、すなわち、c軸方向を膜面に垂直な方向に揃える
ことができる。According to such a configuration, the stress control layer 42
Without separately providing the glass substrate 11, the glass substrate 11 can be deformed by heating so that the surface on which the diffusion prevention layer 45 is provided becomes convex. Therefore, FIG.
If the thin film 13 is formed on the diffusion preventing layer 45 of the glass substrate 11 in the state shown in FIG. 17B, the glass substrate 11 is cooled and the amount of deformation is reduced as shown in FIG. In-plane compressive stress can be introduced into the thin film 13 during the phase transition, that is, the c-axis direction can be aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【0066】(第7の実施形態)上述した第4〜6の実
施形態では、応力制御層42や拡散防止層45などを利
用して薄膜13に面内圧縮応力を導入した。これに対
し、本発明の第7の実施形態では、薄膜13の膜面に平
行な一方向にc軸を配向させるために、応力制御層を用
いて薄膜13に面内引張応力を導入する。(Seventh Embodiment) In the fourth to sixth embodiments described above, an in-plane compressive stress is introduced into the thin film 13 by using the stress control layer 42 and the diffusion prevention layer 45. On the other hand, in the seventh embodiment of the present invention, in order to orient the c-axis in one direction parallel to the film surface of the thin film 13, an in-plane tensile stress is introduced into the thin film 13 using a stress control layer.
【0067】図18(a)〜(c)は、それぞれ、本発
明の第7の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面
図である。実施形態に係る成膜方法では、まず、図18
(a)に示すように、常温で平坦であり、一方の主面に
拡散防止層41が設けられ、他方の主面に応力制御層4
6が形成されたガラス基板11を準備する。なお、本実
施形態で使用する応力制御層46は、第4及び第5の実
施形態で使用した応力制御層42とは異なっている。す
なわち、本実施形態において、拡散防止層41の線膨張
係数Δl1と応力制御層46の線膨張係数Δl2とは不等
式Δl1<Δl2に示す関係を満足し且つ拡散防止層41
の膜厚x1と応力制御層46の膜厚x2とは不等式x1<
x2に示す関係を満足している。また、本実施形態にお
いて、応力制御層46は、ストライプパターンを形成し
ている。FIGS. 18A to 18C are cross-sectional views schematically showing a film forming method according to the seventh embodiment of the present invention. In the film forming method according to the embodiment, first, FIG.
As shown in (a), it is flat at normal temperature, a diffusion prevention layer 41 is provided on one main surface, and a stress control layer 4 is provided on the other main surface.
A glass substrate 11 on which 6 is formed is prepared. Note that the stress control layer 46 used in the present embodiment is different from the stress control layer 42 used in the fourth and fifth embodiments. That is, in the present embodiment, satisfies the relationship represented by inequality Δl 1 <Δl 2 is a linear expansion coefficient .DELTA.l 2 of the linear expansion coefficient .DELTA.l 1 and the stress control layer 46 of the diffusion preventing layer 41 and the diffusion preventing layer 41
Of thickness x 1 and inequalities x 1 and the film thickness x 2 of the stress control layer 46 <
satisfy the relationship shown in x 2. In the present embodiment, the stress control layer 46 forms a stripe pattern.
【0068】このような応力制御層46を形成した場
合、基板温度を上昇させると、ガラス基板11は、図1
8(b)に示すように、x方向に関しては拡散防止層4
1側が凹となるように変形するが、y方向に関しては殆
ど変形を生じない。これは、図18において、y方向に
は、基板の変形を緩和できるように応力制御層46が存
在しない領域が導入されるためである。したがって、こ
の状態で薄膜13の成膜を行えば、図18(c)に示す
ように、相転移の際に薄膜13に対してx方向の面内引
張応力のみを選択的に導入することができる。すなわ
ち、c軸の方向を両矢印6に示す方向に揃えることが可
能となる。When such a stress control layer 46 is formed, when the substrate temperature is increased, the glass substrate 11
As shown in FIG. 8B, the diffusion preventing layer 4
It is deformed so that one side is concave, but hardly deforms in the y direction. This is because, in FIG. 18, a region where the stress control layer 46 does not exist is introduced in the y direction so that the deformation of the substrate can be reduced. Therefore, if the thin film 13 is formed in this state, it is possible to selectively introduce only the in-plane tensile stress in the x direction to the thin film 13 during the phase transition, as shown in FIG. it can. That is, the direction of the c-axis can be aligned with the direction indicated by the double arrow 6.
【0069】(第8の実施形態)上記第4〜第7の実施
形態では、応力制御層42,46や拡散防止層45を利
用してガラス基板11を変形させた。以下に説明する第
8の実施形態では、応力制御層42,46や拡散防止層
45がなくとも温度変化により変形するガラス基板を使
用する。(Eighth Embodiment) In the fourth to seventh embodiments, the glass substrate 11 is deformed using the stress control layers 42 and 46 and the diffusion prevention layer 45. In the eighth embodiment described below, a glass substrate that is deformed by a change in temperature without using the stress control layers 42 and 46 and the diffusion prevention layer 45 is used.
【0070】図19は、本発明の第8の実施形態で使用
するガラス基板11を概略的に示す断面図である。図1
9に示すガラス基板11は、ガラス基板11aとガラス
基板11aに比べて線熱膨張係数がより大きいガラス基
板11bとを貼り合わせた構造を有している。ガラス基
板11bのガラス基板11aが貼り合わされた面の裏面
には、拡散防止層41が形成されている。FIG. 19 is a sectional view schematically showing a glass substrate 11 used in the eighth embodiment of the present invention. FIG.
The glass substrate 11 shown in FIG. 9 has a structure in which a glass substrate 11a and a glass substrate 11b having a larger linear thermal expansion coefficient than the glass substrate 11a are attached to each other. A diffusion preventing layer 41 is formed on the back surface of the glass substrate 11b to which the glass substrate 11a is attached.
【0071】このような構成によると、ガラス基板11
自体が温度変化により変形する性質を有しているので、
応力制御層42等を別途設ける必要がない。そのため、
加熱することによりガラス基板11をその拡散防止層4
1が設けられた面が凸となるように変形させることがで
きる。したがって、拡散防止層41が設けられた面が凸
状に大きく変形した状態でガラス基板11の拡散防止層
41上に薄膜13を成膜すれば、ガラス基板11は冷却
されることにより変形量が減少するため、相転移の際に
薄膜13に面内圧縮応力を導入すること、すなわち、c
軸方向を膜面に垂直な方向に揃えることができる。According to such a configuration, the glass substrate 11
Since it has the property of deforming due to temperature change,
There is no need to separately provide the stress control layer 42 and the like. for that reason,
The glass substrate 11 is heated so that the diffusion preventing layer 4
It can be deformed so that the surface provided with 1 is convex. Therefore, if the thin film 13 is formed on the diffusion prevention layer 41 of the glass substrate 11 in a state where the surface on which the diffusion prevention layer 41 is provided is largely deformed in a convex shape, the amount of deformation is reduced by cooling the glass substrate 11. Introducing an in-plane compressive stress into the thin film 13 during the phase transition, ie, c
The axial direction can be aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【0072】なお、ガラス基板11の厚さ方向で組成を
不均一とすることによって、ガラス基板11自体に温度
変化により変形する性質を与えることもできる。例え
ば、ガラス基板11の材料としてアルミノホウケイ酸塩
ガラスを用いる場合、成膜面に比べてその裏面側におい
てAl濃度がより高くなるように組成を傾斜させること
により、成膜面及びその裏面の双方において上記線膨張
係数を実現することができる。By making the composition non-uniform in the thickness direction of the glass substrate 11, it is possible to give the glass substrate 11 itself a property of being deformed by a change in temperature. For example, when aluminoborosilicate glass is used as the material of the glass substrate 11, the composition is inclined so that the Al concentration is higher on the back surface side than on the film formation surface, so that both the film formation surface and the back surface can be used. , The above-described coefficient of linear expansion can be realized.
【0073】(第9の実施形態)第8の実施形態では、
ガラス基板11の成膜面とその裏面との間で線膨張係数
を異ならしめることにより、ガラス基板11自体に温度
変化により変形する性質を与えた。ガラス基板11にそ
のような性質を与えるために、他の方法を利用すること
も可能である。以下に説明する第9の実施形態では、ガ
ラス基板11の成膜面とその裏面との間で表面積を異な
らしめることにより、ガラス基板11にそのような性質
を与える。(Ninth Embodiment) In the eighth embodiment,
By making the linear expansion coefficient different between the film-forming surface of the glass substrate 11 and the back surface, the glass substrate 11 itself has a property of being deformed by a change in temperature. Other methods can be used to impart such properties to the glass substrate 11. In the ninth embodiment described below, such a property is given to the glass substrate 11 by making the surface area different between the film forming surface of the glass substrate 11 and the back surface thereof.
【0074】図20は、本発明の第9の実施形態で使用
するガラス基板11を概略的に示す断面図である。図2
0に示すガラス基板11の薄膜13が形成される面は平
坦であるが、その裏面は凹凸加工されている。すなわ
ち、ガラス基板11の成膜面に比べてその裏面はより大
きな表面積を有している。FIG. 20 is a sectional view schematically showing a glass substrate 11 used in the ninth embodiment of the present invention. FIG.
Although the surface of the glass substrate 11 shown in FIG. 0 on which the thin film 13 is formed is flat, the back surface is roughened. That is, the back surface of the glass substrate 11 has a larger surface area than the film formation surface.
【0075】このようなガラス基板11を周囲温度より
も高温に加熱した場合、成膜面に比べてその裏面におい
てより多くの熱放射が生じるため、ガラス基板11の成
膜面とその裏面との間に温度差が形成される。このよう
な温度差は加熱温度と周囲温度との差に応じて大きくな
る。したがって、本実施形態によると、そのような温度
差を利用して、相転移の際に薄膜13に面内圧縮応力を
導入すること、すなわち、c軸方向を膜面に垂直な方向
に揃えることができる。When such a glass substrate 11 is heated to a temperature higher than the ambient temperature, more heat radiation is generated on the back surface than on the film formation surface. A temperature difference forms between them. Such a temperature difference increases according to the difference between the heating temperature and the ambient temperature. Therefore, according to the present embodiment, by utilizing such a temperature difference, an in-plane compressive stress is introduced into the thin film 13 at the time of phase transition, that is, the c-axis direction is aligned in a direction perpendicular to the film surface. Can be.
【0076】なお、上述した第1〜第9の実施形態で
は、PZTからなる薄膜13を成膜することについて説
明したが、立方晶系から正方晶系へと相転移するのに伴
ってc軸の長さが延びる他の材料を用いた場合について
も上述したのと同様の方法によりc軸の方向を揃えるこ
とができる。また、立方晶系から正方晶系へと相転移す
るのに伴ってc軸の長さが縮む材料を用いた場合につい
ては、薄膜13に面内圧縮応力を導入した場合にはc軸
は膜面に平行な方向に配向し、薄膜13に面内引張応力
を導入した場合にはc軸は膜面に垂直な方向に配向する
こと以外は上述したのと同様の方法によりc軸の方向を
揃えることができる。In the first to ninth embodiments described above, the formation of the thin film 13 made of PZT has been described. However, as the phase transition from cubic to tetragonal occurs, the c-axis is formed. In the case where another material having a longer length is used, the direction of the c-axis can be aligned by the same method as described above. When a material whose c-axis length is reduced due to a phase transition from a cubic system to a tetragonal system is used, when an in-plane compressive stress is introduced into the thin film 13, the c-axis is The c-axis is oriented in a direction parallel to the plane, and when the in-plane tensile stress is applied to the thin film 13, the c-axis is oriented in the same manner as described above except that the c-axis is oriented in a direction perpendicular to the film plane. Can be aligned.
【0077】[0077]
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、基板
の変形を利用して上記薄膜に応力を加えているため、基
板、下部電極、及び強誘電体薄膜などの組成を広く選択
することが可能となる。また、本発明を用いることによ
り、ガラス基板に代表される非晶質基板上においても配
向制御が可能となる。このため、光学的な用途への応用
範囲が広がるだけでなく、安価な基板を用いた素子作製
が可能となる。したがって、本発明によると、比較的低
いコストで素子を製造することが可能となる。以上か
ら、本発明によると、高い自由度で素子を製造すること
を可能とし、応用範囲が広く、素子の製造コストを低減
可能な成膜方法、成膜装置、及び積層複合体が提供され
る。As described above, in the present invention, since the stress is applied to the thin film by utilizing the deformation of the substrate, the composition of the substrate, the lower electrode, the ferroelectric thin film and the like can be selected widely. Becomes possible. Further, by using the present invention, orientation control can be performed even on an amorphous substrate represented by a glass substrate. For this reason, not only can the range of application to optical applications be expanded, but also element fabrication using inexpensive substrates becomes possible. Therefore, according to the present invention, an element can be manufactured at a relatively low cost. As described above, according to the present invention, it is possible to provide a film forming method, a film forming apparatus, and a multilayer composite that can manufacture an element with a high degree of freedom, have a wide range of applications, and can reduce the manufacturing cost of the element. .
【図1】相転移前後のPZTの単位格子を概略的に示す
斜視図。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a unit cell of PZT before and after a phase transition.
【図2】正方晶系のPZTの単位格子を概略的に示す斜
視図。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a unit cell of tetragonal PZT.
【図3】本発明の第1の実施形態に係る成膜方法を用い
ることにより製造される強誘電体キャパシタを概略的に
示す断面図。FIG. 3 is a sectional view schematically showing a ferroelectric capacitor manufactured by using the film forming method according to the first embodiment of the present invention.
【図4】c軸方向が膜面に垂直な方向に揃えられた強誘
電体薄膜を概略的に示す側面図。FIG. 4 is a side view schematically showing a ferroelectric thin film whose c-axis direction is aligned in a direction perpendicular to the film surface.
【図5】拘束力を作用させない場合に得られる強誘電体
薄膜を概略的に示す側面図。FIG. 5 is a side view schematically showing a ferroelectric thin film obtained when no binding force is applied.
【図6】本発明の第1の実施形態に係る成膜方法を概略
的に示す側面図。FIG. 6 is a side view schematically showing a film forming method according to the first embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第1の実施形態に係る成膜装置を概略
的に示す図。FIG. 7 is a view schematically showing a film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
【図8】図7に示す成膜装置の基板ホルダを拡大して示
す断面図。8 is an enlarged sectional view showing a substrate holder of the film forming apparatus shown in FIG.
【図9】本発明の第2の実施形態に係る成膜装置を概略
的に示す図。FIG. 9 is a view schematically showing a film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.
【図10】図9に示す成膜装置の基板ホルダを拡大して
示す断面図。10 is an enlarged cross-sectional view illustrating a substrate holder of the film forming apparatus illustrated in FIG.
【図11】図10に示す基板ホルダを用いてガラス基板
をその成膜面が凸となるように湾曲させた状態を概略的
に示す断面図。11 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a glass substrate is curved using the substrate holder shown in FIG. 10 so that a film forming surface thereof is convex.
【図12】本発明の第3の実施形態に係る成膜方法を概
略的に示す側面図。FIG. 12 is a side view schematically showing a film forming method according to a third embodiment of the present invention.
【図13】図10に示す基板ホルダを用いてガラス基板
をその成膜面が凹となるように湾曲させた状態を概略的
に示す断面図。13 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a glass substrate is curved using the substrate holder illustrated in FIG. 10 so that a film forming surface is concave.
【図14】本発明の第4の実施形態で使用するガラス基
板を概略的に示す断面図。FIG. 14 is a sectional view schematically showing a glass substrate used in a fourth embodiment of the present invention.
【図15】(a)〜(c)は、それぞれ、図14に示す
ガラス基板上への強誘電体薄膜の成膜プロセスを概略的
に示す断面図。FIGS. 15A to 15C are cross-sectional views schematically showing a process of forming a ferroelectric thin film on the glass substrate shown in FIG.
【図16】(a)〜(e)は、それぞれ、本発明の第5
の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面図。16 (a) to (e) respectively show a fifth example of the present invention.
Sectional drawing which shows roughly the film-forming method which concerns on 2nd Embodiment.
【図17】(a)〜(c)は、それぞれ、本発明の第7
の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面図。FIGS. 17A to 17C respectively show a seventh embodiment of the present invention.
Sectional drawing which shows roughly the film-forming method which concerns on 2nd Embodiment.
【図18】(a)〜(c)は、それぞれ、本発明の第7
の実施形態に係る成膜方法を概略的に示す断面図。FIGS. 18 (a) to (c) show the seventh embodiment of the present invention, respectively.
Sectional drawing which shows roughly the film-forming method which concerns on 2nd Embodiment.
【図19】本発明の第8の実施形態で使用するガラス基
板を概略的に示す断面図。FIG. 19 is a sectional view schematically showing a glass substrate used in an eighth embodiment of the present invention.
【図20】本発明の第9の実施形態で使用するガラス基
板を概略的に示す断面図。FIG. 20 is a sectional view schematically showing a glass substrate used in a ninth embodiment of the present invention.
1…破線; 2…実線; 3…酸素原子; 4…鉛原
子;5…チタンまたはジルコニウム原子; 6…両矢
印;10…強誘電体キャパシタ; 11,11a,11
b…ガラス基板;12…下部電極層; 13…強誘電体
薄膜; 14…上部電極層;20…成膜装置; 21…
反応容器; 22…給気口; 23…排気口;24…基
板ホルダ; 25…スパッタターゲット; 26…RF
電源26;27…磁場形成用磁石; 31…サセプタ;
32…押え部材;33…駆動機構; 34…応力印加
カム; 36…給気系; 37…排気系;41,45…
拡散防止層; 42,46…応力制御層;1 dashed line 2 solid line 3 oxygen atom 4 lead atom 5 titanium or zirconium atom 6 double arrow 10 ferroelectric capacitor 11, 11 a, 11
b: glass substrate; 12: lower electrode layer; 13: ferroelectric thin film; 14: upper electrode layer; 20: film forming apparatus;
Reaction vessel; 22 air supply port; 23 exhaust port; 24 substrate holder; 25 sputter target;
Power supply 26; 27: magnet for forming a magnetic field; 31: susceptor;
32 pressing member; 33 driving mechanism; 34 stress applying cam; 36 air supply system; 37 exhaust system;
Diffusion prevention layer; 42, 46 ... stress control layer;
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01G 4/33 H01G 4/12 397 5E082 4/12 397 400 5G303 400 4/30 301E 4/30 301 13/00 391C 13/00 391 H01B 3/00 H // H01B 3/00 H01G 4/06 102 Fターム(参考) 4F100 AA33 AG00A BA02 BA03 BA07 BA10B BA10C BA26 EH112 EH66 EJ50B EJ502 JA02B JA02C JA20B JA20C JG05 JL02 JM02B JM02C 4G059 AA08 AB01 AB11 AB19 AC30 EA07 EB04 4G077 AA03 AA07 BC43 FE10 4K029 AA09 AA24 BA43 BB00 BB07 EA08 5E001 AB03 AE03 AH03 AJ02 5E082 AB03 EE05 EE11 EE23 EE37 FF05 FG03 FG26 FG42 FG54 KK01 LL02 MM09 MM23 PP09 5G303 AA05 AB20 BA03 CA01 CB15 CB25 CB35 CB39 DA07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme court ゛ (Reference) H01G 4/33 H01G 4/12 397 5E082 4/12 397 400 5G303 400 4/30 301E 4/30 301 13 / 00 391C 13/00 391 H01B 3/00 H // H01B 3/00 H01G 4/06 102 F term (reference) 4F100 AA33 AG00A BA02 BA03 BA07 BA10B BA10C BA26 EH112 EH66 EJ50B EJ502 JA02B JA02C JA20B JA20C JG05 JL02 JM02B JM02A JM02A AB01 AB11 AB19 AC30 EA07 EB04 4G077 AA03 AA07 BC43 FE10 4K029 AA09 AA24 BA43 BB00 BB07 EA08 5E001 AB03 AE03 AH03 AJ02 5E082 AB03 EE05 EE11 EE23 EE37 FF05 FG03 FG02 CB02 BB23 FB02 BB23 BB01
Claims (5)
じる薄膜材料を前記薄膜材料が立方晶系となる温度でガ
ラス基板の一方の主面上に堆積させて薄膜を成膜する工
程と、前記ガラス基板及び前記薄膜を冷却して前記薄膜
材料を立方晶系から正方晶系へと相転移させる工程とを
含み、前記ガラス基板の形状を前記薄膜の成膜時と前記
薄膜材料の相転移時との間で異ならしめることにより前
記薄膜材料が相転移する際に前記薄膜に応力を加えて、
前記冷却された薄膜における正方晶系のc軸方向を制御
することを特徴とする成膜方法。A thin film is formed by depositing a thin film material that causes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system on one main surface of a glass substrate at a temperature at which the thin film material becomes a cubic system. And a step of cooling the glass substrate and the thin film to cause a phase transition of the thin film material from a cubic system to a tetragonal system, wherein the shape of the glass substrate is changed when the thin film is formed and when the thin film is formed. By applying a stress to the thin film when the thin film material undergoes a phase transition by making a difference between the material and the phase transition,
A film forming method comprising controlling a tetragonal c-axis direction in the cooled thin film.
ガラス基板を保持する基板ホルダと、前記ガラス基板の
一方の主面上に薄膜材料を供給する薄膜材料供給機構
と、前記基板ホルダに保持された前記ガラス基板を変形
させる変形機構とを具備することを特徴とする成膜装
置。2. A reaction container, a substrate holder arranged in the reaction container for holding a glass substrate, a thin film material supply mechanism for supplying a thin film material onto one main surface of the glass substrate, A film forming apparatus comprising: a deformation mechanism configured to deform the held glass substrate.
主面上に形成された拡散防止層と、前記拡散防止層上に
形成され立方晶系と正方晶系との間で相転移を生じる薄
膜材料を含む薄膜と、前記ガラス基板の他方の主面上に
形成された応力制御層とを具備し、前記拡散防止層の線
膨張係数Δl1と前記応力制御層の線膨張係数Δl2と前
記拡散防止層の膜厚x1と前記応力制御層の膜厚x2とは
不等式Δl1>Δl2且つx1>x2に示す関係を満足する
か或いは不等式Δl1<Δl2且つx1<x2に示す関係を
満足することを特徴とする積層複合体。3. A glass substrate, an anti-diffusion layer formed on one main surface of the glass substrate, and a phase transition between a cubic system and a tetragonal system formed on the anti-diffusion layer. A thin film containing a thin film material, and a stress control layer formed on the other main surface of the glass substrate, wherein a linear expansion coefficient Δl 1 of the diffusion prevention layer and a linear expansion coefficient Δl 2 of the stress control layer The film thickness x 1 of the diffusion preventing layer and the film thickness x 2 of the stress control layer satisfy the relationship represented by the inequalities Δl 1 > Δl 2 and x 1 > x 2 or the inequalities Δl 1 <Δl 2 and x 1 <layered composite which satisfies the relationship shown in x 2.
主面上に形成され立方晶系と正方晶系との間で相転移を
生じる薄膜材料を含む薄膜とを具備し、前記ガラス基板
はその一方の主面側と他方の主面側とで線膨張係数が異
なることを特徴とする積層複合体。4. A glass substrate comprising: a glass substrate; and a thin film formed on one main surface of the glass substrate and including a thin film material that causes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system. A laminated composite, wherein the one main surface side and the other main surface side have different linear expansion coefficients.
主面上に形成され立方晶系と正方晶系との間で相転移を
生じる薄膜材料を含む薄膜とを具備し、前記ガラス基板
の一方の主面と他方の主面とでは表面積が異なることを
特徴とする積層複合体。5. A glass substrate, comprising: a glass substrate; and a thin film formed on one main surface of the glass substrate and including a thin film material that causes a phase transition between a cubic system and a tetragonal system. A laminated composite, characterized in that one main surface and the other main surface have different surface areas.
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-
2000
- 2000-10-31 JP JP2000333577A patent/JP3544939B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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