JP2005038914A

JP2005038914A - 圧電薄膜の形成装置

Info

Publication number: JP2005038914A
Application number: JP2003197557A
Authority: JP
Inventors: Yuji Murashima; 祐二村嶋; Kazuki Komaki; 一樹小牧; Masahiro Yasumi; 正博安見; Koji Nomura; 幸治野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】本発明は大面積の基板の温度を一様または均一とし、結晶性および組成の最適化を再現性よく高品質の圧電薄膜を形成するための圧電薄膜の形成装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】真空チャンバ１１の内部に少なくとも鉛およびチタンを含むペロブスカイト型の圧電薄膜を形成する基板１４を保持する開口を設けた基板ホルダー１３と、陰極上に配置されて基板ホルダー１３に保持された基板１４と対向するスパッタターゲット１２と、基板１４を加熱する基板加熱用ヒータ１６と、基板加熱用ヒータ１６からの熱が基板１４の表面全体を一様または均一に加熱するように基板１４上に配置した均熱板２２とを配置した圧電薄膜の形成装置であり、均熱板２２からの放射熱により、基板１４の温度を均一にすることができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電薄膜を品質よく形成するための圧電薄膜の形成装置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】
従来の圧電薄膜の形成装置としては、図３に示すものがある。
【０００５】
図３（ａ）、（ｂ）は従来の圧電薄膜の形成装置の構成を示す模式図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように真空チャンバ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と酸素ガスボンベ２０からのスパッタガスを真空チャンバ１１の内部に供給できるように配管されている。２１はスパッタターゲット１２に電力を供給する高周波電源である。
【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】
圧電素子の特性に大きく影響を与える圧電薄膜の組成および結晶性は基板１４の加熱温度によって大きく変化する。特に鉛およびチタンを含んだペロブスカイト型の圧電薄膜の形成は鉛の蒸気圧が高いため、組成ずれを生じやすく再現性よく高品質の圧電薄膜を形成することが困難であった。例えば基板ホルダー１３からの熱伝導により基板１４の加熱温度を制御する方式を用いた場合、小さい面積の基板１４の温度の均熱性は確保できるが、基板１４を例えばＳｉウエハのような大面積の場合、基板１４の個々の反り、温度変化による基板１４の反りまたは、基板ホルダー１３と基板１４の間での熱膨張率の差により基板ホルダー１３と基板１４の表面での接触状態が変化し、Ｓｉウエハからなる基板１４の温度を再現性よく一定とすることが困難となり、圧電薄膜を品質よく、かつ安定に形成することが困難となる。
【００１０】
本発明は大面積の基板の温度を一様または均一とし、結晶性および組成の最適化を再現性よく高品質の圧電薄膜を形成するための圧電薄膜の形成装置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、真空チャンバ内に少なくとも鉛およびチタンを含むペロブスカイト型の圧電薄膜を形成する基板を保持する開口を設けた基板ホルダーと、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スパッタターゲットと、上記基板を加熱する基板加熱用ヒータと、上記基板加熱用ヒータからの熱が基板の表面全体を一様または均一に加熱するように基板上に配置した均熱板とを配置した圧電薄膜の形成装置であり、均熱板からの放射熱により、基板温度を均一にすることができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、均熱板が基板ホルダーに保持された基板と対向し、かつ基板と基板加熱用ヒータとの間に設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板加熱用ヒータからの放射熱が均熱板を加熱し、この均熱板により基板温度を均一にすることができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、均熱板を基板と接することなく基板ホルダーに設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、熱伝導による熱の授受が防止でき、均熱板の放射熱のみで基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、基板ホルダーが均熱板を常に所定の位置となるように配置した請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板ホルダーに対して均熱板が常に所定位置に保持されるため、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、均熱板を基板に対して常に所定の位置となるように設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板に対して均熱板を常に所定位置に保持し、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、基板ホルダーが均熱板を点、線、または限られた面で保持して均熱板が熱伝導の影響を受け難くした請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板ホルダーと均熱板との間の熱伝導による授受を最小限に抑制することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、基板ホルダーの開口に基板形状とほぼ等しく、かつ前記基板の側面が接しない段差を設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板を所定位置に保持することができ、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、基板ホルダーの溝の底面において、基板を点、線または限られた面で保持する請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板ホルダーと基板との間の熱伝導による授受を最小限に抑制することができる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、基板ホルダーが基板を所定位置に保持する少なくとも３つのピンを設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、点により基板を所定位置に保持することができ、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、基板ホルダーを非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、高温による基板ホルダーの反りが抑制でき、基板ホルダーと均熱板との間隔が常に一定とすることができるため、基板を均一に加熱することができると共に再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２２】
請求項１１に記載の発明は、基板ホルダーを少なくともＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２のいずれかの非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、高温による基板ホルダーの反りが抑制でき、基板ホルダーと均熱板との間隔が常に一定とすることができるため、基板を均一に加熱することができると共に再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２３】
請求項１２に記載の発明は、均熱板を非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、高温による均熱板の反りが抑制でき、基板と均熱板との間隔が常に一定とすることができるため、基板を均一に加熱することができると共に再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２４】
請求項１３に記載の発明は、均熱板を少なくともＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣのいずれかの非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、高温による均熱板の反りが抑制でき、基板と均熱板との間隔が常に一定とすることができるため、基板を均一に加熱することができると共に再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２５】
請求項１４に記載の発明は、基板ホルダーに設けた溝の側面をテーパー状とする請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板ホルダーが基板を点または線で保持するため、基板ホルダーと基板との間の熱伝導による授受を最小限に抑制することができる。
【００２６】
請求項１５に記載の発明は、基板ホルダーの孔の側面を楔状とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板ホルダーが基板を点または線で保持するため、基板ホルダーと基板との間の熱伝導による授受を最小限に抑制することができると共に基板ホルダーの角がないため、スパッタターゲットからのスパッタ粒子を効率よく基板に付着させることができる。
【００２７】
請求項１６に記載の発明は、均熱板を基板の形状より大きくした請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２８】
請求項１７に記載の発明は、基板ホルダーが基板の角と点または線で接触して保持する請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置であり、基板を均一に加熱することができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における圧電薄膜の形成装置の構成を示す模式図である。ここで従来の圧電薄膜の形成装置の構成図で説明した同一構成要素は同一の符号を付して説明する。
【００３１】
真空チャンバ内の底部には少なくとも鉛およびチタンを含むペロブスカイト型の圧電薄膜を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が配置されるとともに、中心部に回転軸２５を設け、この回転軸２５上に絶縁板２４を介して開口部２６を数個設けた基板ホルダー設置板２７が設けられ、この基板ホルダー設置板２７の開口部２６の形成された上部にＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２などの非金属からなる基板ホルダー１３が配置されている。
【００３２】
この基板ホルダー１３も中央部に下面から上面に向けて徐々に小さくなる開口２８が設けられ、この基板ホルダー１３の周縁部上面には数個の均熱板支持ピン２３が設けられ、この均熱板支持ピン２３上にはＳｉＮやＣなどの非金属の表面にＳｉＣをコーティングした均熱板２２が配置され、この均熱板２２の下面側の基板ホルダー１３の開口２８上に予め金属として白金膜を下部電極膜として形成したシリコンからなる基板１４が配置され、スパッタターゲット１２と対向するようになっている。この基板ホルダー１３の中央部に下面から上面に向けて徐々に小さくなる開口２８を設けることによりスパッタターゲット１２からのスパッタ粒子を均等に基板１４に付着させることができる。
【００３３】
また、真空チャンバ１１内の上部には基板加熱用ヒータ１６が配置されるとともに、真空チャンバ１１には、真空チャンバ１１の内部を大気状態から１０^−１Ｐａ程度までの粗引き用のロータリポンプ１７と１０^−１〜１０^−５Ｐａまで本排気するクライオポンプ１８が接続され、スパッタガスを供給するアルゴンガスボンベ１９と酸素ガスボンベ２０が接続されている。さらにスパッタターゲット１２には高周波電源２１が接続されている。
【００３４】
予め金属としての白金膜を下部電極膜として形成したシリコンからなる基板１４を基板ホルダー１３に設置し、そしてこの基板１４の上に対向するように基板１４の形状より大きい均熱板２２を基板ホルダー１３の上に設置する。この基板ホルダー１３に点で接するように設置し、基板ホルダー１３にはＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２などからなる非金属を用いている。このように基板ホルダー１３に非金属を用いることにより反りによる変動が抑制され、基板ホルダー１３はシリコンウエハからなる基板１４の外周部または周縁部と接してシリコンウエハからなる基板１４を常に所定位置に保持し、再現性の向上を図っている。この場合基板ホルダー１３を有限要素法を用いて熱輻射および熱伝導の関係を計算し、温度６００℃近傍において熱伝導が熱輻射の１％以内となるようにしている。
【００３５】
このように均熱板２２を基板ホルダー１３に設置し、均熱板２２の加工条件および表面粗さ等を揃え、輻射率および反射率の特性が同じとなるようにしている。そして真空チャンバ１１の内部の基板ホルダー設置板２７の上に基板ホルダー１３を設置し、真空チャンバ１１の内部をまずロータリポンプ１７により１０^−２Ｐａ程度に排気し、さらにクライオポンプ１８により１０^−４Ｐａの高真空まで排気する。そして均熱板２２の上に対向する基板加熱用ヒータ１６により温度６００℃まで加熱を行う。さらにスパッタガスのアルゴンと反応性のガスとしての酸素とをミキシングして真空チャンバ１１の内部に導入し、所定の圧力になるように調圧する。そして高周波電源２１により高周波電力をスパッタターゲット１２に印加して圧電薄膜Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）を形成する。
【００３６】
圧電薄膜を形成する場合、まずＫ熱電対を９点埋め込んだ４インチのシリコンウエハからなる校正用基板を用いて、表面全体の温度を測定し、校正用基板に埋め込んだ９点の温度差が±５℃以内となることを確認している。ここで校正用基板に埋め込んだ９点のＫ熱電対は予め温度ばらつきが±１℃以内に校正されている。
【００３７】
以上のように実施の形態１における圧電薄膜の形成装置は基板ホルダー１３の上に配置した支持ピン２３を用いて点で保持することにより均熱板２２は外部からの熱吸収および外部への熱伝導を抑制し、均熱板２２の安定した放射熱により基板１４の表面全体を一様または均一な温度に制御できるため、基板１４に形成する圧電薄膜の結晶性を均一にでき、結晶方位（００１）の方向に９９％以上の単一配向膜を得ることができた。
【００３８】
（実施の形態２）
図２（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２における圧電薄膜の形成装置の主要部分の構成を示す模式図である。ここで従来の圧電薄膜の形成装置の構成図で説明した同一構成要素は同一の符号を付し、異なる点について説明する。
【００３９】
図２（ａ）に示すように基板ホルダー１３の中央部に上面から下面にかけて段差を設けかつ下面から上面にかけて徐々に小さくなる開口２８が設けられ、この基板ホルダー１３の周縁部上面には数個の均熱板支持ピン２３が設けられ、この均熱板支持ピン２３上にはＳｉＮやＣなどの非金属の表面にＳｉＣをコーティングした均熱板２２が配置され、この均熱板２２の下面側の基板ホルダー１３の開口２８の上面から下面にかけて設けた段差の平坦な底面上に数個の基板支持ピン２９が設けられ、この基板支持ピン２９上に予め金属として白金膜を下部電極膜として形成したシリコンからなる基板１４が配置され、スパッタターゲット１２と対向するようになっている。
【００４０】
また、図２（ｂ）に示すように基板ホルダー１３の中央部に上面から下面にかけて段差を設けかつ下面から上面にかけて徐々に小さくなる開口２８が設けられ、この基板ホルダー１３の周縁部上面には数個の均熱板支持ピン２３が設けられ、この均熱板支持ピン２３上にはＳｉＮやＣなどの非金属の表面にＳｉＣをコーティングした均熱板２２が配置され、この均熱板２２の下面側の基板ホルダー１３の開口２８の上面から下面にかけて設けた段差の下面にかけて小さくなる傾斜面３０に予め金属として白金膜を下部電極膜として形成したシリコンからなる基板１４の下面側の角と線で接するように配置され、スパッタターゲット１２と対向するようになっている。
【００４１】
以上のように実施の形態２における圧電薄膜の形成装置は基板ホルダー１３の上に配置した均熱板支持ピン２３を用いて点で保持することにより均熱板２２は外部からの熱吸収および外部への熱伝導を抑制し、かつ均熱板２２の安定した放射熱により基板１４の表面全体を一様または均一な温度に制御できるため、基板１４に形成する圧電薄膜の結晶性を均一にでき、結晶方位（００１）の方向に９９％以上の単一配向膜を得ることができた。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、真空チャンバ内に少なくとも鉛およびチタンを含むペロブスカイト型の圧電薄膜を形成する基板を保持する開口を設けた基板ホルダーと、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スパッタターゲットと、上記基板を加熱する基板加熱用ヒータと、上記基板加熱用ヒータからの熱が基板表面全体を一様または均一に加熱するように基板上に配置した均熱板とを配置した圧電薄膜の形成装置であり、均熱板からの放射熱により、基板温度を均一にすることができるため、再現性よく高品質な圧電薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における圧電薄膜の形成装置の構成を示す模式図
【図２】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態２における圧電薄膜の形成装置の主要部分の構成を示す模式図
【図３】（ａ）、（ｂ）従来の圧電薄膜の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
１２スパッタターゲット
１３基板ホルダー
１４基板
１６基板加熱用ヒータ
１７ロータリポンプ
１８クライオポンプ
１９アルゴンガスボンベ
２０酸素ガスボンベ
２１高周波電源
２２均熱板
２３均熱板支持ピン
２４絶縁板
２５回転軸
２６開口部
２７基板ホルダー設置板
２８開口
２９基板支持ピン

Claims

真空チャンバ内に少なくとも鉛およびチタンを含むペロブスカイト型の圧電薄膜を形成する基板を保持する開口を設けた基板ホルダーと、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スパッタターゲットと、上記基板を加熱する基板加熱用ヒータと、上記基板加熱用ヒータからの熱が基板の表面全体を一様または均一に加熱するように基板上に配置した均熱板とを配置した圧電薄膜の形成装置。
均熱板が基板ホルダーに保持された基板と対向し、かつ基板と基板加熱用ヒータとの間に設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を基板と接することなく基板ホルダーに設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を基板ホルダーに対して常に所定の位置となるように配置した請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を基板に対して常に所定の位置となるように設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーが均熱板を点、線、または限られた面で保持して均熱板が熱伝導の影響を受け難くした請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーの開口に基板形状とほぼ等しく、かつ前記基板の側面が接しない段差を設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーの溝の底面において、基板を点、線または限られた面で保持する請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーが基板を所定位置に保持する少なくとも３つのピンを設けた請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーを非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーを少なくともＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２のいずれかの非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を少なくともＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣのいずれかの非金属とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーに設けた溝の側面をテーパー状とする請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーの孔の側面を楔状とする請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
均熱板を基板の形状より大きくした請求項１に記載の圧電薄膜の形成装置。
基板ホルダーが基板の角と点または線で接触して保持する請求項７に記載の圧電薄膜の形成装置。