JP2004253535A

JP2004253535A - Device and method for dielectric thin film forming

Info

Publication number: JP2004253535A
Application number: JP2003041103A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Komaki; 一樹小牧; Masahiro Yasumi; 正博安見; Yuji Murashima; 祐二村嶋; Koji Nomura; 幸治野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dielectric thin film forming device and a dielectric thin film forming method which realize a high productivity and which are capable of forming an excellent crystalline dielectric thin film. <P>SOLUTION: The dielectric thin film forming device is constituted of a substrate holder 13 for retaining a substrate 14 which forms the dielectric thin film, one set or more of spatter targets 12 opposed to the substrate 14 retained by the substrate holder 13, and a heater 16 for heating the substrate 14 while either one of the substrate holder 13 or the spatter targets 12 is constituted so as to be moved intermittently. The dielectric thin film is formed under the condition that the substrate 14 is opposed to the spatter targets 12 while the annealing of the formed dielectric thin film is effected under the condition that the substrate 14 is separated from the spatter targets 12. The substrate 14 is moved and stopped in a short period of time whereby the excellent crystalline dielectric thin film can be formed by the particles of spatters which come while flying with a stabilized angle of incidence. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘電体薄膜を品質良く形成しかつ生産性を高めた誘電体薄膜形成装置および誘電体薄膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
キャパシタに代表される誘電体を薄膜で実現することはデバイスの小型化、集積化が図れることであり、これらの薄膜をいかに高性能で実現するかが大きな課題である。その中でもペロブスカイト型構造を有する誘電体薄膜は優れた強誘電性、圧電性、焦電性および電気光学特性を示し、各種センサやアクチュエータなどの幅広いデバイスに有効な材料として注目されており、今後その利用範囲は急激に拡大していくと思われる。
【０００３】
誘電体薄膜を応用した代表例として、ＡＢＯ_３構造を示すＰｂ（ＺｒＴｉ_１−
_ｘ）Ｏ_３系薄膜は高い圧電性を有することから圧電センサや圧電アクチュエータなどの圧電素子の圧電薄膜として利用されている。圧電センサは強誘電性の圧電効果を利用したものである。圧電体は内部に自発分極を有しており、その表面に正および負電荷を発生させる。大気中における定常状態では大気中の分子がもつ電荷と結合して中性状態になっている。この圧電体に外圧がかかると圧電体から圧力量に応じた電気信号を取り出すことができる。また圧電アクチュエータも同様の原理を用いたもので圧電体に電圧を印加するとその電圧に応じて圧電体が伸縮し、伸縮方向あるいはその方向に直交する方向に変位を生じさせることができる。
【０００４】
従来の誘電体薄膜形成装置としては、図５に示すものがある。
【０００５】
図５は従来の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図である。図５に示すように真空チャンバー１１の内部に成膜する材料の組成で構成されたスパッタターゲット１２、そして基板１４が配置される基板ホルダー１３を設け、基板ホルダー１３に配置された基板１４をスパッタターゲット１２に向けて配置している。また、基板ホルダー１３の内部には基板加熱用のヒータ１６を備え、真空チャンバー１１の内部を排気するために大気から１０^−１Ｐａ程度までの粗引き用のロータリポンプ１７および１０^−１〜１０^−５Ｐａまでに本排気するためのクライオポンプ１８を備えている。さらにアルゴンガスボンベ１９と酸素ボンベ２０からのスパッタガスを真空チャンバー１１の内部に供給できるように配管されている。
【０００６】
次に、誘電体薄膜の形成方法について説明する。基板１４を設置した支持体１５を基板ホルダー１３に取り付け、ロータリポンプ１７およびクライオポンプ１８によって真空チャンバー１１の内部を約１０^−５Ｐａ程度にまで真空排気する。そして基板１４を基板加熱用のヒータ１６で温度６００℃にまで加熱し、スパッタガスであるＡｒ＝１０ｓｃｃｍ、Ｏ_２＝１ｓｃｃｍを導入し、まずスパッタターゲット１２に高周波電源２１から電力１００Ｗを印加する。約１時間放電を続けＰｔを約２００ｎｍ成膜して、その上に他のスパッタターゲット１２に電力３５０Ｗを４時間程度印加して基板１４に約２μｍ程度ＰｂＴｉＯ_３薄膜を形成する。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３５８４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘電体薄膜形成装置では、基板１４が複数個のスパッタターゲット１２の上を連続的に周回して成膜を行い、膜堆積と非堆積とを周期的に繰り返すため、スパッタターゲット１２の間の移動時間がかかりさらにその時間が累積されるため生産性が低下する。また基板１４はスパッタターゲット１２の上に静止することなく常に移動しているため、スパッタターゲット１２から基板１４に到達するスパッタ粒子には様々な入射角度で飛来したものが混在して誘電体薄膜が形成され、良好な結晶性の膜を形成することが困難であった。
【００１０】
本発明は高い生産性を実現し、良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる誘電体薄膜形成装置および誘電体薄膜形成方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有する。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、誘電体薄膜を形成する少なくとも２枚以上の基板を保持する基板ホルダーと、陰極上に配置されて上記基板ホルダーに保持された基板と対向する１個以上のスパッタターゲットと、上記基板を加熱する少なくとも２つ以上の加熱ヒータとからなり、上記基板ホルダーまたはスパッタターゲットのいずれか一方を間欠移動する構成とし、基板がスパッタターゲットに対向した状態で誘電体薄膜の形成を行い、基板がスパッタターゲットから離れた状態で形成した誘電体薄膜のアニールを行うように構成した誘電体薄膜形成装置であり、基板を短時間に移動して停止させるため、基板以外の基板ホルダー部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、チャンバー内の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、間欠移動を回転移動とする請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置であり、所定の膜厚の形成とアニールを繰り返すことにより、良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、間欠移動を直線移動とする請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置であり、所定の膜厚の形成とアニールを繰り返すことにより、良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、基板の停止時間を移動時間より長くした請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置であり、基板を短時間に移動して停止させるため、基板以外の基板ホルダー部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、チャンバー内の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、２つ以上のヒータを温度２００℃以上として基板上に形成される誘電体薄膜をアニールするようにした請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置であり、所定の膜厚の形成とアニールを繰り返すことにより、良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、ヒータの大きさを基板の大きさより大きくした請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置であり、基板全体を均一な温度にすることができるため、良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、間欠移動により少なくとも１つの金属元素を含んだ酸化物からなる誘電体薄膜の形成と形成された誘電体薄膜のアニールとを繰り返す誘電体薄膜形成方法であり、基板を短時間に移動して停止させるため、基板以外の基板ホルダー部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、チャンバー内の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、間欠移動について停止時間を移動時間の５倍から２０倍以下とし移動時間を５秒以下とする請求項７に記載の誘電体薄膜形成方法であり、基板を短時間に移動して停止させるため、基板以外の基板ホルダー部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、チャンバー内の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図である。
【００２２】
以下、図１を用いて誘電体薄膜形成装置の構成について説明する。真空チャンバー１１の内部に成膜する材料で構成されるスパッタターゲット１２を下部電極としての陰極（図示せず）に、そして装置の電位と絶縁する絶縁板２３を介して基板１４が設置される基板ホルダー１３を上部電極（図示せず）に有し、スパッタターゲット１２の上に配置されている。
【００２３】
基板ホルダー１３には予め下部電極膜２２として白金膜が形成された基板１４が設置されている。そして基板ホルダー１３には基板１４がスパッタターゲット１２の面に対向して平行となるように設置されている。また基板ホルダー１３の基板配置面と異なる面側に基板１４と対向して平行となるように第１および第２の加熱ヒータ１６ａ，１６ｂが所定の円周上に設けられている。
【００２４】
また、真空チャンバー１１の内部を大気から１０^−５Ｐａ程度まで排気するため真空排気ポンプ２４が備えられ、さらにアルゴンガスや酸素などのスパッタガス２５を真空チャンバー１１の内部に供給できるよう配管されている。
【００２５】
以下、図１を用いて誘電体薄膜形成装置の動作について説明する。基板ホルダー１３の中心を軸に基板ホルダー１３が所定時間内の回転と停止を繰り返す動作を行う。
【００２６】
基板ホルダー１３の等角度の回転と停止の動作にともない設置されている基板１４も等角度の回転と停止の動作を行う。しかし基板１４の上に位置する第１と第２の加熱ヒータ１６ａ，１６ｂと基板１４の下に位置するスパッタターゲット１２は固定され移動しない。例えば誘電体薄膜が形成される場合、基板ホルダー１３に設置された基板１４がスパッタターゲット１２の垂直延長線上の範囲２６ａに停止し、予め基板１４の上に形成された下部電極膜２２の上にスパッタターゲット１２からスパッタ粒子が付着して所定の薄い誘電体薄膜が形成される。そして短時間で基板１４が第２の加熱ヒータ１６ｂの垂直延長線上の範囲２６ｂまで移動して停止する。そして形成された薄い誘電体薄膜を第２の加熱ヒータ１６ｂで所定時間アニールされる。このような停止と回転の繰り返し動作によって誘電体薄膜の成膜とアニールを繰り返し、目標とする膜厚の誘電体薄膜が形成される。
【００２７】
また、加熱ヒータ１６の数量をスパッタターゲット１２の数量の２倍以上とし、かつ等間隔に配置することで停止と回転移動の時間が短縮され生産性が向上すると共に良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００２８】
次に停止と移動を繰り返す別の誘電体薄膜形成装置について説明する。
【００２９】
図２は本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図である。図１と異なる構成について説明する。図２は図１に示す第１および第２の加熱ヒータ１６ａ，１６ｂの代わりに基板ホルダー１３とほぼ同じ大きさの加熱ヒータ１６により基板ホルダー１３の全体を加熱しアニールする。このような構成において移動と停止により成膜とアニールを繰り返し、所定の膜厚の誘電体薄膜を形成する。
【００３０】
図３は本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図である。図１と異なる構成について説明する。図３は図１に示した回転の代わりに等間隔の直線移動と停止による誘電体薄膜形成装置であり、図１の基板ホルダー１３と別に固定されていた加熱ヒータ１６が基板ホルダー１３に固定され、基板ホルダー１３と共に移動する。そしてスパッタターゲット１２は基板ホルダー１３の直線移動の中点に配置され、直線移動の中点での停止でスパッタターゲット１２からのスパッタ粒子により成膜され、両端の停止で加熱ヒータ１６によりアニールされる。この動作を繰り返して所定の膜厚の誘電体薄膜を形成する。
【００３１】
このような誘電体薄膜を高品質に形成するためには、いかに結晶性を向上させるかが重要となる。結晶性の制御はスパッタ条件を最適に制御することが最も望ましい。しかしながらこれには限界があるほか、結晶性の良好な誘電体薄膜を基板１４の面内に均質に、かつ再現性良く安定に形成することは困難であった。特に誘電体薄膜をスパッタリングによって形成した場合、一般的に薄膜は柱状成長を形成しやすく粒界や欠陥を伴う場合が多い。薄膜の堆積速度を低減すればより緻密な薄膜が形成できる傾向にあるが、スループットが悪くなり、堆積速度の低減にも限界がある。
【００３２】
また、所定の膜厚に形成した誘電体薄膜を誘電体薄膜形成装置から取り出して高温でアニールする手法によって誘電体薄膜の結晶性およびその安定性を向上させることができる場合もあるが、所定の厚みに形成された薄膜を次の工程で熱処理した場合、特性向上の効果には限界が生じる。従って実施の形態１の薄膜形成において、特に複数層の膜を形成し各層をアニールすることが有効な手段となる。かつこの工程によれば基板１４の面内の均一性が向上すると共にバッチ間の再現性が向上する。
【００３３】
以上の本発明の実施の形態１における誘電体薄膜形成装置は基板１４を短時間に移動して停止させるため、基板１４を除く基板ホルダー１３の部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、真空チャンバー１１の内部の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【００３４】
（実施の形態２）
以下、誘電体薄膜形成方法について図を用いて説明する。
【００３５】
図４（ａ）は本発明の誘電体薄膜形成装置の主要部分の構成を示す模式図、図４（ｂ）は本発明の誘電体薄膜形成装置の主要部分の構成を示す上面図、図４（ｃ）は本発明の誘電体薄膜形成装置の主要部分の動作を示すタイムチャートである。
【００３６】
図４（ａ），（ｂ）に示すように真空チャンバー１１の内部には装置の電位から絶縁するための絶縁板を介して４枚の基板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを設置する基板ホルダー１３を上部電極に有し、かつ成膜したい材料の組成で構成された２つのスパッタターゲット１２ａ，１２ｂを下部電極（陰極）に有する。ここで基板ホルダー１３の基板配置面と異なる面に設置されるヒータ１６の数量はスパッタターゲット１２の数量の２倍以上が必要であり、実施の形態２では４つの加熱ヒータ１６と２つのスパッタターゲット１２と４枚の基板１４とした。
【００３７】
そして、加熱ヒータ１６およびスパッタターゲット１２は同心円周上にかつ等間隔または等角度θまたは２θに設置される。
【００３８】
基板ホルダー１３には予めスパッタリングにより表面に金属の結晶方位（１００）のＰｔ膜を下部電極膜２２として膜厚１００ｎｍに形成された４枚の基板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが取り付けられている。そして真空チャンバー１１の内部を真空排気ポンプ２４によって１０^−５Ｐａ程度にまで排気し、４枚の基板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを４つの加熱ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄで基板ホルダー１３を介して６００℃程度まで加熱する。スパッタガス２５であるアルゴンガスを１０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１ｓｃｃｍ導入する。そして高周波電源２１から高周波電力１０００Ｗを陰極である下部電極に印加する。この場合スパッタターゲット１２にはＰｂ（Ｚｒ_０．５Ｔｉ_０．５）Ｏ_３からなるセラミックの焼結体を用いて、基板１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの上に形成した下部電極膜２２の上に誘電体薄膜であるＰｂ（Ｚｒ_０．５Ｔｉ_０．５）Ｏ_３膜を目標の膜厚２μｍに形成する。
【００３９】
ここで、本発明の実施の形態２において、基板１４を加熱するのに要する最小限の径とする第１の加熱ヒータ１６ａ、第２の加熱ヒータ１６ｂ、第３の加熱ヒータ１６ｃ、第４の加熱ヒータ１６ｄを配置した。但し加熱ヒータ１６のサイズは基板のサイズより大きくすることが必要である。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように基板１４ａがスパッタターゲット１２ａと第１の加熱ヒータ１６ａの垂直延長線上の範囲２６ａ、基板１４ｂが第２の加熱ヒータ１６ｂの垂直延長線上の範囲２６ｂ、基板１４ｃがスパッタターゲット１２ｂと第３の加熱ヒータ１６ｃの垂直延長線上の範囲２６ｃ、基板１４ｄが第４の加熱ヒータ１６ｄの垂直延長線上の範囲２６ｄに所定時間等角度（等間隔）の回転動作を停止させ、スパッタターゲット１２ａからのスパッタ粒子が基板１４ａに、スパッタターゲット１２ｂからのスパッタ粒子が基板１４ｃに付着し膜厚０．４ｎｍ程度の誘電体薄膜が形成される。そして等角度θ回転移動して、基板１４ａが第４の加熱ヒータ１６ｄの垂直延長線上の範囲２６ｄ、基板１４ｂがスパッタターゲット１２ａと第１の加熱ヒータ１６ａの垂直延長線上の範囲２６ａ、基板１４ｃが第２の加熱ヒータ１６ｂの垂直延長線上の範囲２６ｂ、基板１４ｄがスパッタターゲット１２ｂと第３の加熱ヒータ１６ｃの垂直延長線上の範囲２６ｃに停止する。そして基板１４ａの上に形成された誘電体薄膜が第４の加熱ヒータ１６ｄによりアニールされ、基板１４ｃの上に形成された誘電体薄膜が第２の加熱ヒータ１６ｂによりアニールされる。一方スパッタターゲット１２ａからのスパッタ粒子が基板１４ｂに、スパッタターゲット１２ｂからのスパッタ粒子が基板１４ｄに付着し膜厚０．４ｎｍ程度の誘電体薄膜が形成される。さらに等角度θ回転移動し、基板１４ａがスパッタターゲット１２ｂと第３の加熱ヒータ１６ｃの垂直延長線上の範囲２６ｃ、基板１４ｂが第４の加熱ヒータ１６ｄの垂直延長線上の範囲２６ｄ、基板１４ｃがスパッタターゲット１２ａと第１の加熱ヒータ１６ａの垂直延長線上の範囲２６ａ、基板１４ｄが第２の加熱ヒータ１６ｂの垂直延長線上の範囲２６ｂに停止する。そしてスパッタターゲット１２ｂからのスパッタ粒子が基板１４ａに、スパッタターゲット１２ａからのスパッタ粒子が基板１４ｃに付着し膜厚０．４ｎｍの上にさらに０．４ｎｍ程度の誘電体薄膜が形成され、基板１４ｂの上に形成された誘電体薄膜が第４の加熱ヒータ１６ｄによりアニールされ、基板１４ｄの上に形成された誘電体薄膜が第２の加熱ヒータ１６ｂによりアニールされる。
【００４１】
ここで、停止時間は移動時間より長くして成膜とアニール以外の時間を最小限度になるようにしている。
【００４２】
つまり、停止時間より第１の加熱ヒータ１６ａから第２の加熱ヒータ１６ｂへ、あるいは第２の加熱ヒータ１６ｂから第３の加熱ヒータ１６ｃへの加熱ヒータ１６の間の移動時のみ基板ホルダー１３を等角度θで回転させる。ここでは基板１４をスパッタターゲット１２あるいはヒータ１６の垂直延長線上の範囲で１５秒間停止させ、基板１４の上に飛来するスパッタ粒子の方向の安定化を図った。
【００４３】
なお、加熱ヒータ１６の間の基板１４の移動時間を短縮するため、回転に要する時間を２秒とした。
【００４４】
実施の形態２において、目標とするＰＺＴ膜の膜厚２μｍを形成するために停止と等角度θの回転移動を繰り返して、成膜とアニールを行うことになるが、２回の成膜を１周期とすると１周期あたり数十秒の時間短縮はトータルの薄膜形成時間を大幅に短縮できることを意味する。
【００４５】
実施の形態２において形成したＰＺＴ薄膜の結晶性をＸ線回折により求めた結果、ＰＺＴの結晶方位（００１）のピーク強度が２３０ｋｃｐｓと著しく結晶性の良好なＰＺＴ薄膜が得られた。
【００４６】
実施の形態２では、スパッタターゲット１２から基板１４に飛来するスパッタ粒子を安定化させるために、基板１４をスパッタターゲット１２の上で一定時間停止させ、その薄膜形成の途中で、数層の膜形成ごとに随時アニールを行う工程を導入することでＰＺＴ薄膜の結晶性が向上し、そして膜質、膜厚の均一性が向上し、さらにバッチ間の再現性が向上した。またも基板１４の回転時間のロスを低減することでスループットの向上が図れた。
【００４７】
さらに、基板１４が加熱ヒータ１６の間の移動時間をさらに短縮したことは基板１４の設置していない基板ホルダー１３の部分がスパッタターゲット１２の上を通過する時間を短縮したことであり、基板ホルダー１３へＰＺＴ膜の付着が低減され、結果として薄膜の高品質化が図れた。
【００４８】
ここで、ＰＺＴ膜の成膜とアニールに要する時間をｔ１、そして回転移動に要する時間をｔ２としたとき、ｔ１をできる限り大きくかつｔ２をできる限り小さくするほど、スループットが向上し、装置内のダストの抑制につながる。しかしながらアニールの効果を充分に発揮するためには、ある程度の数層レベルの膜形成ごとにアニールを行うことが重要であり、一度の膜形成時間が長すぎることは望ましくない。
【００４９】
これらの関係から本実施の形態では最適なｔ１はｔ２の５倍以上でかつ２０倍以下（ただし、ｔ２は５秒以下）であることを見出した。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、誘電体薄膜を形成する少なくとも２枚以上の基板を保持する基板ホルダーと、陰極上に配置されて上記基板ホルダーに保持された基板と対向する１個以上のスパッタターゲットと、上記基板を加熱する少なくとも２つ以上の加熱ヒータとからなり、上記基板ホルダーまたはスパッタターゲットのいずれか一方を間欠移動する構成とし、基板がスパッタターゲットに対向した状態で誘電体薄膜の形成を行い、基板がスパッタターゲットから離れた状態で形成した誘電体薄膜のアニールを行うように構成した誘電体薄膜形成装置であり、基板を短時間に移動して停止させるため、基板以外の基板ホルダー部分に付着するスパッタ粒子がなくなり、チャンバー内の汚れが防止できると共に安定した入射角度で飛来するスパッタ粒子より良好な結晶性の誘電体薄膜が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図
【図２】本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図
【図３】本発明の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図
【図４】（ａ）本発明の誘電体薄膜形成装置の主要部分の構成を示す模式図
（ｂ）本発明の誘電体薄膜形成装置の主要部分の構成を示す上面図
（ｃ）本発明の誘電体薄膜形成装置の動作を示すタイムチャート
【図５】従来の誘電体薄膜形成装置の構成を示す模式図
【符号の説明】
１１真空チャンバー
１２スパッタターゲット
１３基板ホルダー
１４基板
１４ａ基板
１４ｂ基板
１４ｃ基板
１４ｄ基板
１６加熱ヒータ
１６ａ第１の加熱ヒータ
１６ｂ第２の加熱ヒータ
１６ｃ第３の加熱ヒータ
１６ｄ第４の加熱ヒータ
２１高周波電源
２２下部電極膜
２３絶縁板
２５スパッタガス
２６ａスパッタターゲットの垂直延長線上の範囲
２６ｂ第２の加熱ヒータの垂直延長線上の範囲[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dielectric thin film forming apparatus and a dielectric thin film forming method which form a dielectric thin film with high quality and enhance productivity.
[0002]
[Prior art]
To realize a dielectric represented by a capacitor with a thin film is to achieve miniaturization and integration of a device, and how to realize such a thin film with high performance is a major issue. Among them, dielectric thin films having a perovskite structure show excellent ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity and electro-optical properties, and are attracting attention as effective materials for a wide range of devices such as various sensors and actuators. The range of use is expected to expand rapidly.
[0003]
Representative examples of applying a dielectric thin film, Pb indicating the ABO ₃ structure (ZrTi _1-
_x ) O ₃ -based thin films have high piezoelectric properties and are therefore used as piezoelectric thin films of piezoelectric elements such as piezoelectric sensors and piezoelectric actuators. The piezoelectric sensor utilizes a ferroelectric piezoelectric effect. The piezoelectric body has spontaneous polarization inside, and generates positive and negative charges on its surface. In a steady state in the atmosphere, it is in a neutral state by being combined with electric charges of molecules in the atmosphere. When an external pressure is applied to the piezoelectric body, an electric signal corresponding to the amount of pressure can be extracted from the piezoelectric body. The piezoelectric actuator also uses the same principle. When a voltage is applied to the piezoelectric body, the piezoelectric body expands and contracts in accordance with the voltage, and a displacement can be generated in the expansion and contraction direction or a direction perpendicular to the direction.
[0004]
FIG. 5 shows a conventional apparatus for forming a dielectric thin film.
[0005]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional dielectric thin film forming apparatus. As shown in FIG. 5, a sputtering target 12 composed of a composition of a material to be formed into a film inside a vacuum chamber 11 and a substrate holder 13 on which a substrate 14 is disposed are provided. It is arranged facing the target 12. Further, a heater 16 for heating the substrate is provided inside the substrate holder 13, and rotary pumps 17 and 10 ⁻¹ to 10 for rough evacuation from the atmosphere to about 10 ⁻¹ Pa to exhaust the inside of the vacuum chamber 11. A cryopump 18 for main exhaust to ⁻⁵ Pa is provided. Further, piping is provided so that sputtering gas from an argon gas cylinder 19 and an oxygen cylinder 20 can be supplied into the vacuum chamber 11.
[0006]
Next, a method for forming a dielectric thin film will be described. The support 15 on which the substrate 14 is placed is attached to the substrate holder 13, and the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated to about 10 ⁻⁵ Pa by the rotary pump 17 and the cryopump 18. Then, the substrate 14 is heated to a temperature of 600 ° C. by the heater 16 for heating the substrate, Ar = 10 sccm and O ₂ = 1 sccm, which are sputtering gases, are introduced, and first, 100 W of electric power is applied to the sputtering target 12 from the high frequency power supply 21. Discharge is continued for about 1 hour, Pt is deposited to a thickness of about 200 nm, and a power of 350 W is applied to another sputter target 12 for about 4 hours to form a PbTiO ₃ thin film of about 2 μm on the substrate 14.
[0007]
As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-35846 A
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional dielectric thin film forming apparatus, a substrate 14 continuously circulates over a plurality of sputter targets 12 to form a film, and film deposition and non-deposition are periodically repeated. It takes a long time to move, and the time is accumulated, so that productivity is reduced. In addition, since the substrate 14 is constantly moving on the sputter target 12 without standing still, sputtered particles reaching the substrate 14 from the sputter target 12 are mixed with those flying at various incident angles to form a dielectric thin film. It was difficult to form a good crystalline film.
[0010]
An object of the present invention is to provide a dielectric thin film forming apparatus and a dielectric thin film forming method which can realize high productivity and can form a dielectric thin film having good crystallinity.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the following configuration is provided.
[0012]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a substrate holder for holding at least two or more substrates forming a dielectric thin film, and a substrate holder disposed on a cathode and opposed to the substrate held by the substrate holder. The above-mentioned sputter target and at least two or more heaters for heating the substrate, wherein one of the substrate holder and the sputter target is intermittently moved, and the dielectric is placed in a state where the substrate faces the sputter target. This is a dielectric thin film forming device that forms a thin film and anneals a dielectric thin film formed with the substrate away from the sputter target. No sputtered particles adhere to the substrate holder part, preventing contamination in the chamber and flying at a stable incident angle Good crystallinity of the dielectric thin film from the sputtering particles that can be formed.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the dielectric thin film forming apparatus according to the first aspect of the present invention, wherein the intermittent movement is a rotational movement. A thin film can be formed.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the dielectric thin film forming apparatus according to the first aspect, wherein the intermittent movement is a linear movement. A thin film can be formed.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the dielectric thin film forming apparatus according to the first aspect of the present invention, wherein the stop time of the substrate is longer than the movement time. Sputter particles attached to the portion are eliminated, so that contamination in the chamber can be prevented and a dielectric thin film having better crystallinity than sputter particles flying at a stable incident angle can be formed.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the dielectric thin film forming apparatus according to the first aspect, wherein the two or more heaters are set to a temperature of 200 ° C. or higher to anneal the dielectric thin film formed on the substrate. By repeating the formation of the film thickness and annealing, a dielectric thin film having good crystallinity can be formed.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the dielectric thin film forming apparatus according to the first aspect, wherein the size of the heater is made larger than the size of the substrate. Dielectric thin film can be formed.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for forming a dielectric thin film comprising an oxide containing at least one metal element by intermittent movement, and repeating the annealing of the formed dielectric thin film. In a short time, the sputter particles adhere to the substrate holder other than the substrate, eliminating contamination in the chamber and having a better crystalline dielectric than sputter particles flying at a stable incident angle. A thin film can be formed.
[0019]
The invention according to claim 8 is the method for forming a dielectric thin film according to claim 7, wherein the stop time of the intermittent movement is 5 to 20 times or less the movement time and the movement time is 5 seconds or less. The sputter particles attached to the substrate holder other than the substrate are eliminated because they move and stop in time, which prevents contamination in the chamber and provides a crystalline dielectric thin film that is better than the sputter particles that fly at a stable incident angle. Can be formed.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a dielectric thin film forming apparatus according to the present invention.
[0022]
Hereinafter, the configuration of the dielectric thin film forming apparatus will be described with reference to FIG. A substrate on which a sputter target 12 composed of a material to be formed inside a vacuum chamber 11 is placed on a cathode (not shown) as a lower electrode, and a substrate 14 is placed via an insulating plate 23 for insulating the potential of the apparatus. The holder 13 has an upper electrode (not shown) and is disposed on the sputter target 12.
[0023]
A substrate 14 on which a platinum film is formed in advance as the lower electrode film 22 is installed on the substrate holder 13. The substrate 14 is set on the substrate holder 13 so as to be parallel to the surface of the sputter target 12. Further, first and second heaters 16a and 16b are provided on a predetermined circumference of the substrate holder 13 on a surface different from the substrate arrangement surface so as to be opposed to and parallel to the substrate 14.
[0024]
Further, a vacuum exhaust pump 24 is provided to evacuate the inside of the vacuum chamber 11 from the atmosphere to about 10 ⁻⁵ Pa. Further, piping is provided so that a sputtering gas 25 such as argon gas or oxygen can be supplied into the vacuum chamber 11. I have.
[0025]
Hereinafter, the operation of the dielectric thin film forming apparatus will be described with reference to FIG. The substrate holder 13 performs an operation of repeatedly rotating and stopping within a predetermined time about the center of the substrate holder 13.
[0026]
The substrate 14 installed in accordance with the equiangular rotation and stop operation of the substrate holder 13 also performs the equiangular rotation and stop operation. However, the first and second heaters 16a and 16b located above the substrate 14 and the sputter target 12 located below the substrate 14 are fixed and do not move. For example, when a dielectric thin film is formed, the substrate 14 placed on the substrate holder 13 stops in a range 26 a on a vertical extension line of the sputter target 12, and is placed on the lower electrode film 22 previously formed on the substrate 14. Sputter particles adhere from the sputter target 12 to form a predetermined thin dielectric thin film. Then, the substrate 14 moves to a range 26b on a vertical extension line of the second heater 16b and stops in a short time. Then, the formed thin dielectric thin film is annealed by the second heater 16b for a predetermined time. By repeating the stop and rotation operations, the deposition and annealing of the dielectric thin film are repeated to form a dielectric thin film having a target film thickness.
[0027]
In addition, by setting the number of heaters 16 to be at least twice the number of sputter targets 12 and arranging them at equal intervals, the time for stopping and rotating is reduced, thereby improving the productivity and improving the crystalline dielectric thin film. Can be formed.
[0028]
Next, another dielectric thin film forming apparatus that repeats stopping and moving will be described.
[0029]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention. A configuration different from FIG. 1 will be described. In FIG. 2, the entire substrate holder 13 is heated and annealed by a heater 16 having substantially the same size as the substrate holder 13 instead of the first and second heaters 16a and 16b shown in FIG. In such a configuration, film formation and annealing are repeated by moving and stopping, and a dielectric thin film having a predetermined thickness is formed.
[0030]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention. A configuration different from FIG. 1 will be described. FIG. 3 shows an apparatus for forming a dielectric thin film by linearly moving and stopping at equal intervals instead of the rotation shown in FIG. 1, and a heater 16 fixed separately from the substrate holder 13 of FIG. , Together with the substrate holder 13. Then, the sputter target 12 is disposed at the midpoint of the linear movement of the substrate holder 13, the film is formed by the sputter particles from the sputter target 12 at the stop at the midpoint of the linear movement, and annealed by the heater 16 at the ends of both ends. . This operation is repeated to form a dielectric thin film having a predetermined thickness.
[0031]
In order to form such a dielectric thin film with high quality, it is important how to improve the crystallinity. It is most desirable to control the crystallinity optimally by controlling the sputtering conditions. However, there is a limit to this, and it has been difficult to form a dielectric thin film having good crystallinity uniformly and with good reproducibility in the plane of the substrate 14. In particular, when a dielectric thin film is formed by sputtering, the thin film generally tends to form columnar growth and often has grain boundaries and defects. If the deposition rate of the thin film is reduced, a denser thin film tends to be formed, but the throughput is deteriorated, and there is a limit in reducing the deposition rate.
[0032]
In some cases, the crystallinity of the dielectric thin film and its stability can be improved by taking out the dielectric thin film formed to a predetermined thickness from the dielectric thin film forming apparatus and annealing it at a high temperature. When a thin film formed to a thickness is heat-treated in the next step, there is a limit to the effect of improving characteristics. Therefore, in forming the thin film of the first embodiment, it is particularly effective to form a plurality of layers and anneal each layer. In addition, according to this step, the in-plane uniformity of the substrate 14 is improved, and the reproducibility between batches is improved.
[0033]
Since the dielectric thin film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention moves and stops the substrate 14 in a short time, there is no sputtered particles adhering to the portion of the substrate holder 13 except the substrate 14, and the vacuum chamber 11 Dirt inside can be prevented, and a dielectric thin film having better crystallinity than sputtered particles flying at a stable incident angle can be formed.
[0034]
(Embodiment 2)
Hereinafter, a method of forming a dielectric thin film will be described with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 4A is a schematic diagram showing a configuration of a main part of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention, and FIG. 4B is a top view showing a configuration of a main part of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention. (C) is a time chart showing the operation of the main part of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention.
[0036]
As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), a substrate holder 13 in which four substrates 14a, 14b, 14c and 14d are placed via an insulating plate for insulation from the potential of the device inside the vacuum chamber 11. And the lower electrode (cathode) has two sputter targets 12a and 12b made of a composition of a material to be formed into a film. Here, the number of heaters 16 installed on a surface different from the substrate placement surface of the substrate holder 13 needs to be at least twice the number of sputter targets 12, and in the second embodiment, four heaters 16 and two sputter targets 12 and four substrates 14 were used.
[0037]
Then, the heater 16 and the sputter target 12 are installed on the concentric circle and at equal intervals or equal angles θ or 2θ.
[0038]
On the substrate holder 13, four substrates 14a, 14b, 14c and 14d each having a 100 nm-thick Pt film having a metal crystal orientation (100) formed on the surface by sputtering as a lower electrode film 22 are attached. Then, the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated to about 10 ⁻⁵ Pa by the vacuum evacuation pump 24, and the four substrates 14 a, 14 b, 14 c, and 14 d are separated from the substrate holder 13 by the four heaters 16 a, 16 b, 16 c, and 16 d. To about 600 ° C. 10 sccm of argon gas and 1 sccm of oxygen gas are introduced as sputter gas 25. Then, a high-frequency power 1000 W is applied from the high-frequency power supply 21 to the lower electrode serving as a cathode. In this case, a ceramic sintered body made of Pb (Zr _0.5 Ti _0.5 ) O ₃ is used as the sputter target 12, and is formed on the lower electrode film 22 formed on the substrates 14 a, 14 b, 14 c, and 14 d. Next, a Pb (Zr _0.5 Ti _0.5 ) O ₃ film as a dielectric thin film is formed to a target film thickness of 2 μm.
[0039]
Here, in the second embodiment of the present invention, the first heater 16a, the second heater 16b, the third heater 16c, and the fourth heater 16a have the minimum diameter required to heat the substrate 14. The heater 16d was arranged. However, the size of the heater 16 needs to be larger than the size of the substrate.
[0040]
As shown in FIG. 4C, the substrate 14a is a range 26a on a vertical extension of the sputter target 12a and the first heater 16a, the substrate 14b is a range 26b on a vertical extension of the second heater 16b, and the substrate 14c is The rotation operation of the sputter target 12b and the third heater 16c on the vertical extension line 26c and the substrate 14d are stopped for a predetermined time at an equal angle (equal interval) in the range 26d on the vertical extension line of the fourth heater 16d, Sputter particles from the sputter target 12a adhere to the substrate 14a, and sputter particles from the sputter target 12b adhere to the substrate 14c, forming a dielectric thin film having a thickness of about 0.4 nm. Then, the substrate 14a is rotated by the same angle θ, and the substrate 14a is in the range 26d on the vertical extension of the fourth heater 16d, the substrate 14b is in the range 26a on the vertical extension of the sputter target 12a and the first heater 16a, and the substrate 14c is in the range 26a. The range 26b on the vertical extension of the second heater 16b and the substrate 14d stop in the range 26c on the vertical extension of the sputter target 12b and the third heater 16c. Then, the dielectric thin film formed on the substrate 14a is annealed by the fourth heater 16d, and the dielectric thin film formed on the substrate 14c is annealed by the second heater 16b. On the other hand, sputter particles from the sputter target 12a adhere to the substrate 14b, and sputter particles from the sputter target 12b adhere to the substrate 14d, forming a dielectric thin film having a thickness of about 0.4 nm. The substrate 14a is further moved by the same angle θ, and the substrate 14a has a range 26c on the vertical extension of the sputter target 12b and the third heater 16c, the substrate 14b has a range 26d on the vertical extension of the fourth heater 16d, and the substrate 14c has a sputter. The range 14a on the vertical extension of the target 12a and the first heater 16a and the substrate 14d stop in the range 26b on the vertical extension of the second heater 16b. The sputtered particles from the sputter target 12b adhere to the substrate 14a, and the sputtered particles from the sputter target 12a adhere to the substrate 14c to form a dielectric thin film of about 0.4 nm on the film having a thickness of 0.4 nm. The dielectric thin film formed thereon is annealed by the fourth heater 16d, and the dielectric thin film formed on the substrate 14d is annealed by the second heater 16b.
[0041]
Here, the stop time is set longer than the transfer time so that the time other than film formation and annealing is minimized.
[0042]
That is, the substrate holder 13 is held only when the heater 16 moves from the first heater 16a to the second heater 16b or from the second heater 16b to the third heater 16c from the stop time. Rotate at an angle θ. Here, the substrate 14 was stopped for 15 seconds in a range on the vertical extension line of the sputter target 12 or the heater 16 to stabilize the direction of the sputter particles flying on the substrate 14.
[0043]
In addition, in order to shorten the moving time of the substrate 14 between the heaters 16, the time required for the rotation was set to 2 seconds.
[0044]
In the second embodiment, film formation and annealing are performed by repeating stop and rotation at an equal angle θ to form a target PZT film having a thickness of 2 μm. In terms of the cycle, a time reduction of several tens of seconds per cycle means that the total thin film formation time can be greatly reduced.
[0045]
The crystallinity of the PZT thin film formed in Embodiment 2 was determined by X-ray diffraction, and as a result, a PZT thin film having a peak intensity in the crystal orientation (001) of 230 kcps and extremely good crystallinity was obtained.
[0046]
In the second embodiment, in order to stabilize sputter particles flying from the sputter target 12 to the substrate 14, the substrate 14 is stopped on the sputter target 12 for a certain period of time, and during the formation of the thin film, several layers are formed. By introducing an optional annealing step every time, the crystallinity of the PZT thin film was improved, the film quality and the film thickness uniformity were improved, and the reproducibility between batches was improved. Further, the throughput was improved by reducing the loss of the rotation time of the substrate 14.
[0047]
Furthermore, the further shortening of the moving time of the substrate 14 between the heaters 16 is the shortening of the time required for the portion of the substrate holder 13 where the substrate 14 is not installed to pass over the sputter target 12. 13, the adhesion of the PZT film was reduced, and as a result, the quality of the thin film was improved.
[0048]
Here, assuming that the time required for the formation and annealing of the PZT film is t1 and the time required for the rotational movement is t2, as t1 is made as large as possible and t2 is made as small as possible, the throughput is improved, and It leads to dust control. However, in order to sufficiently exhibit the effect of annealing, it is important to perform annealing every time a certain number of layers of film are formed, and it is not desirable that a single film formation time is too long.
[0049]
From these relationships, in the present embodiment, it has been found that the optimum t1 is 5 times or more and 20 times or less (t2 is 5 seconds or less) of t2.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a substrate holder that holds at least two or more substrates forming a dielectric thin film, and one or more sputter targets that are arranged on a cathode and face the substrate held by the substrate holder. And at least two or more heaters for heating the substrate, wherein one of the substrate holder and the sputter target is intermittently moved to form a dielectric thin film with the substrate facing the sputter target. This is a dielectric thin film forming apparatus configured to perform annealing of a dielectric thin film formed in a state where the substrate is separated from a sputter target. In order to move and stop the substrate in a short time, a substrate holder portion other than the substrate is used. Spatter particles adhering to the chamber are eliminated, and contamination in the chamber can be prevented and spatters that fly at a stable incident angle. Good crystallinity of the dielectric thin film from particles can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 3 is a configuration of a dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 4 (a) is a schematic diagram showing a configuration of a main part of a dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 4 (b) is a top view showing a configuration of a main part of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 5 is a time chart showing the operation of the dielectric thin film forming apparatus of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional dielectric thin film forming apparatus.
Reference Signs List 11 vacuum chamber 12 sputter target 13 substrate holder 14 substrate 14a substrate 14b substrate 14c substrate 14d substrate 16 heater 16a first heater 16b second heater 16c third heater 16d fourth heater 21 high frequency power supply 22 Lower electrode film 23 Insulating plate 25 Sputter gas 26a Range on vertical extension of sputter target 26b Range on vertical extension of second heater

Claims

A substrate holder for holding at least two or more substrates forming a dielectric thin film, one or more sputter targets disposed on a cathode and facing the substrate held by the substrate holder, and at least heating the substrate It consists of two or more heaters, and one of the substrate holder and the sputter target is intermittently moved. A dielectric thin film is formed with the substrate facing the sputter target, and the substrate is separated from the sputter target. A dielectric thin film forming apparatus configured to anneal a dielectric thin film formed in an inclined state.

2. The dielectric thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the intermittent movement is a rotational movement.

2. The dielectric thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the intermittent movement is linear movement.

2. The dielectric thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the stopping time of the substrate is longer than the moving time.

2. The dielectric thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the dielectric thin film formed on the substrate is annealed by setting two or more heaters to a temperature of 200 [deg.] C. or higher.

2. The dielectric thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the size of the heater is larger than the size of the substrate.

A method for forming a dielectric thin film, comprising repeating formation of a dielectric thin film made of an oxide containing at least one metal element by intermittent movement and annealing of the formed dielectric thin film.

The method for forming a dielectric thin film according to claim 7, wherein the stop time of the intermittent movement is 5 to 20 times or less the movement time and the movement time is 5 seconds or less.