JP2009019240A - 透明絶縁膜及びその製造方法、並びにスパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜で耐圧特性の優れる透明絶縁膜の製造方法、及び該透明絶縁膜の製造方法により製造される透明絶縁膜を提供し、また前記透明絶縁膜の製造方法に用いられるスパッタリングターゲットを提供する。
【解決手段】Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有するＺｎ−Ａｌ合金ターゲット３を用いて、不活性ガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気下でスパッタリングして基板Ｓ上に透明絶縁膜を成膜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応性スパッタリング法により成膜された透明絶縁膜及びその製造方法、並びにスパッタリングターゲットに関するものである。

近年、エレクトロウェッティング効果（電気毛管現象）を利用したエレクトロウェッティングデバイスの開発が進められている（例えば特許文献１参照）。エレクトロウェッティング効果は、導電性を有する液体と電極との間に電圧を印加したときに電極表面と液体との固液界面のエネルギーが変化し、液体表面の形状が変化する現象をいう。

一般に、エレクトロウェッティングデバイスは、導電性の第１の液体と、絶縁性の第２の液体と、上記第１，第２の液体を収容する液室を形成する一対の基材（下部基板、上部基板）と、下部基板の表面に形成された電極層と、この電極層の表面に形成された絶縁層を備えている（例えば特許文献２参照）。絶縁層を挟んで導電性の第１の液体と電極層との間に電圧を印加することで、エレクトロウェッティング効果により第１，第２の液体間の界面形状が変化する。そこで、第１，第２の液体の屈折率を相互に異ならせることによって、印加電圧の大きさで２液界面の形状が可逆的に変化する可変焦点レンズを構成することが可能となる。

また、近年では、低駆動電圧で信頼性の高いエレクトロウェッティングデバイスの開発が求められている。上述のように、エレクトロウェッティングデバイスは、導電性液体と電極層との間に印加する電圧の大きさで駆動されるが、この駆動電圧は、導電性液体と電極層との間に介在する絶縁層の誘電率に比例し、絶縁層の厚さに逆比例する。したがって、絶縁層として高誘電率材料を小さい膜厚で形成することで、エレクトロウェッティングデバイスの駆動電圧の低減を図ることが可能となる。

ここで、誘電率の高い絶縁材料として、金属酸化物等の絶縁性無機結晶材料のスパッタ膜等が知られており、例えばＺｎＯ系絶縁膜が挙げられる。従来方法では、Ｚｎメタルターゲット(Ｚｎ：１００重量％)を用いて反応性スパッタリングによってＺｎＯ系絶縁膜を作製するが、成膜時にＺｎＯは容易に結晶化し、その為に表面平坦性が悪く、また微細な突起（ヒロック）等が生じるため、絶縁破壊が生じ耐圧特性が悪くなり、安定した絶縁膜とすることが困難であった。すなわち、エレクトロウェッティングデバイスにおいて形成した絶縁膜（高誘電率膜）の局所的な凹凸ピーク領域で導電性液体との間において電流リークが生じ、絶縁膜の絶縁破壊が生じるおそれが高くなっていた。

国際公開第９９／１８４５６号パンフレット 特開２００３−３０２５０２号公報

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、薄膜で耐圧特性の優れる透明絶縁膜の製造方法、及び該透明絶縁膜の製造方法により製造される透明絶縁膜を提供し、また前記透明絶縁膜の製造方法に用いられるスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する本発明は、Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有するＺｎ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、不活性ガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気下でスパッタリングして基板上に透明絶縁膜を成膜することを特徴とする透明絶縁膜の製造方法である。

ここで、前記透明絶縁膜の成膜時の前記Ｏ₂ガスと不活性ガスとの流量比（ｓｃｃｍ比）を２０％以上、８０％以下とすることが好ましい。

また前記課題を解決するために提供する本発明は、上記記載の透明絶縁膜の製造方法により基板上に成膜されてなることを特徴とする透明絶縁膜である。

ここで、非晶質状態の膜であることが好ましく、微細突起のない膜であることが好ましい。また、電界強度０．８（ＭＶ／ｃｍ）以上の耐圧特性を有することが好適である。

また前記課題を解決するために提供する本発明は、Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有するＺｎ−Ａｌ合金材料からなり、不活性ガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気下の反応性スパッタリングにより基板上に透明絶縁膜を成膜するターゲットであることを特徴とするスパッタリングターゲットである。

本発明の透明絶縁膜の製造方法によれば、透明絶縁膜を非晶質状態の安定な膜であってヒロックなどの微細な突起がない平坦な膜として成膜することができる。
本発明の透明絶縁膜によれば、平坦で非晶質状態の安定な透明絶縁膜であることから、エレクトロウェッティングデバイス等に好適な薄膜の誘電体とすることができる。
本発明のスパッタリングターゲットによれば、非晶質状態の安定な膜であってヒロックなどの微細な突起がない平坦な透明絶縁膜をスパッタ成膜するのに好適なものとすることができる。

以下に、本発明に係る透明絶縁膜の製造方法について説明する。なお、本発明を図面に示した実施形態をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施の態様に応じて適宜変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
図１は、本発明に係る透明絶縁膜の製造方法を実施する上で使用するスパッタ装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、スパッタ装置は直流方式のスパッタ装置であり、チャンバー１内に基板Ｓを保持する基板ホルダー２とターゲット３を保持するターゲットホルダー４とが対向配置されており、基板Ｓとターゲット３との間に電圧が印加されるようになっている。詳しくは、基板Ｓは基板ホルダー２を経由してグランドに接地され、ターゲット３はターゲットホルダー４を経由して直流電源５につながっており、基板Ｓのアース電位に対してターゲット３には直流電源５から所定のマイナスの電圧が印加される。

また、スパッタ装置は、チャンバー１内の排気系として排気ポンプ６を有している。さらに、ガス供給系として不活性ガス（スパッタガス）であるＡｒガスが封入されたＡｒガスボンベ７、反応性ガスであるＯ_２ガスが封入されたＯ_２ガスボンベ８及びガスボンベ７，８それぞれからガスを途中で混合しこの混合したガスをチャンバー１内へ導くガス配管９を有しており、該混合ガスはガス配管９に設けられたＡｒガス流量コントローラ７ａ、Ｏ_２ガス流量コントローラ８ａによってそれぞれの流量比及び混合ガスとしての流量がコントロールされプロセスガス導入口９ａからチャンバー１内に導入されるようになっている。

本スパッタ装置により基板Ｓ上に透明絶縁膜を成膜するに当っては、つぎの手順で処理を行う。
（Ｓ１１）基板ホルダー２に基板Ｓをセットする。
ここで、基板Ｓは、用途に応じて種々のものが用いられる。例えば、エレクトロウェッティングデバイス用途であれば、高分子材料からなる透明な基材上に電極層、結晶性の絶縁膜が形成されたものである。
（Ｓ１２）ターゲットホルダー４にターゲット３をセットする。
ここで、ターゲット３は、Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有し、残部が酸素あるいは不可避的不純物からなる組成を有するＺｎ−Ａｌ合金材料からなるスパッタリングターゲットである。

（Ｓ１３）チャンバー１内を排気ポンプ６により排気し真空にする。
（Ｓ１４）ついで、排気を継続しながらチャンバー１内にＡｒガスボンベ７、Ｏ_２ガスボンベ８それぞれからのガスを所定量混合したガスをプロセスガス導入口９ａから導入し、チャンバー１内が一定の雰囲気圧力（例えば、０．１〜１．０Ｐａ）になるようにする。
ここで、混合ガスの流量（ｓｃｃｍ）の比（反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ））は、成膜される透明絶縁膜が所定の抵抗値となり絶縁性をもつように調整される。すなわち、反応性ガス流量比及び投入電力を調整して膜中に酸素を過剰に入れることにより絶縁性を確保するが、その反応性ガス流量比は２０〜８０％がよい。
（Ｓ１５）ついで、直流電源５よりターゲット３と基板Ｓ間に直流電圧を印加し、雰囲気ガス（Ｏ_２＋Ａｒ）についてグロー放電させプラズマ状態Ｐとする。
（Ｓ１６）直流電源５から電力（例えば、０．１〜７．８Ｗ／ｃｍ^２）を投入してスパッタリングを開始し、基板Ｓ上にターゲット組成に基づいた透明絶縁膜１ａを形成し、所定の膜厚になった時点で終了する。

以上の本発明の透明絶縁膜の製造方法により、安定した非晶質であって微細突起（ヒロック）がない平坦な表面組織を呈し、膜厚１００ｎｍの薄膜であっても耐圧特性として電界強度が０．８（ＭＶ／ｃｍ）以上の透明絶縁膜を作製することができる。また、該透明絶縁膜を用いることにより、エレクトロウェッティングデバイスにも応用することができる。

図２は本発明の透明絶縁膜が適用されるエレクトロウェッティングデバイス１０の概略構成を示す側断面図である。本実施形態のエレクトロウェッティングデバイス１０は、密閉性の液室１８の内部に導電性の第１の液体１１と絶縁性の第２の液体１２が収容されてなり、これら第１の液体１１と第２の液体１２の界面１３Ａでレンズ面を形成するレンズ素子１３を備えている。このエレクトロウェッティングデバイス１０は、例えば照明光学系やカメラのストロボ装置などに用いられ、当該エレクトロウェッティングデバイス１０を透過する光Ｌの焦点距離を任意に変化させる可変焦点レンズ素子として構成されている。

第１の液体１１としては、導電性を有する透明な液体が用いられ、例えば、水、電解液（塩化カリウムや塩化ナトリウム、塩化リチウム等の電解質の水溶液）、分子量の小さなメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、常温溶融塩（イオン性液体）などの有極性液体を用いることができる。

第２の液体１２としては、絶縁性を有する透明な液体が用いられ、例えば、デカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカン等の炭化水素系の材料、シリコーンオイル、フッ素系の材料などの無極性溶媒を用いることができる。本実施形態において、第２の液体１２の表面張力は、第１の液体１１の表面張力よりも小さいものが用いられているが、勿論これに限られない。

第１，第２の液体１１，１２は、互いに異なる屈折率を有するとともに、互いに混和することなく存在できる材料が選ばれる。具体的に、本実施形態では、第１の液体１１として塩化リチウム水溶液（濃度３．６６ｗｔ％、屈折率１．３４）が用いられ、第２の液体１２としてシリコーンオイル（ＧＥ東芝シリコーン社製ＴＳＦ４３７、屈折率１．４９）が用いられる。また、第１，第２の液体１１，１２は互いに同等の比重をもつことが好ましい。なお必要に応じて、第１，第２の液体１１，１２は着色されていてもよい。

次に、液室１８は、一対の基材としての透明基板１４と蓋体１５とを互いに貼り合わせて構成された容器の内部に形成されている。

透明基板１４及び蓋体１５は、光学的に透明な絶縁性基材からなり、例えば、プラスチック材料の射出成形体、ガラス材料、各種セラミック材料等で構成される。プラスチック材料としては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリオレフィン（ＰＯ）等の透明高分子材料を好適に用いることができる。

本実施形態では、透明基板１４の液室１８側表面部にレンズ素子１３を収容する凹所１４Ａが形成されている。なお、透明基板１４の表面形状は任意に形成でき、上記の例に限られず平坦面としてもよい。

透明基板１４の液室１８側の表面には、電極層１６が形成されている。電極層１６は透明電極材料で構成され、本実施形態ではＺｎからなる群より選ばれる少なくとも２種類以上の金属酸化物のスパッタ膜で構成されている。具体的に、電極層１６は、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３）のスパッタ膜で構成されるが、これに限られず、例えば、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ_２Ｏ_３）、ＳＺＯ（ＺｎＯ−ＳｉＯ_２）等が挙げられる。

また、電極層１６の上には、絶縁層１７が形成されている。図２は絶縁層１７の構造を示す電極層１６周辺の断面図である。絶縁層１７は、電極層１６の上に形成された絶縁性無機結晶材料からなる第１の絶縁膜１７ａと、この第１の絶縁膜１７ａの上に形成された絶縁性無機非晶質材料からなる第２の絶縁膜１７ｂの積層構造を有している。

第１の絶縁膜１７ａはスパッタ法、真空蒸着法等の真空薄膜形成技術によって形成された透明酸化物からなる。また第１の絶縁膜１７ａはそれ自体で結晶性の絶縁膜であり、第２の絶縁膜１７ｂはそれ自体で非晶質の絶縁膜からなる。第２の絶縁膜１７ｂは、結晶性の第１の絶縁膜１７ａの表面の凹凸を吸収するために設けられている。

第１の絶縁膜１７ａとしては、例えば、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等の高誘電率膜が好適に用いられる。一方、第２の絶縁膜１７ｂは、本発明の透明絶縁膜が好適に用いられる。

本実施形態では、第１の絶縁膜１７ａはＺｎＯ、第２の絶縁膜１７ｂはＺｎＡｌＯからなる。第１の絶縁膜１７ａと第２の絶縁膜１７ｂが互いに同一の金属元素を含む酸化物で構成することにより、両者間の親和性を高めて密着性の向上を図ることができる。また、電極層１６の構成材料（ＡＺＯ）がこれら絶縁膜１７ａ，１７ｂと同一の金属元素を含むことから、電極層１６と第１の絶縁膜１７ａ間の相互の密着性を向上させるとともに、第１の絶縁膜１７ａの結晶配向性を高めて高誘電率化を図ることができる。

第１，第２の絶縁膜１７ａ，１７ｂの膜厚は特に制限されないが、本実施形態では、第２の絶縁膜１７ｂの膜厚は第１の絶縁膜１７ａの膜厚と同等又はそれ以下の厚さで形成されている。第１の絶縁膜１７ａは、結晶性に起因して第２の絶縁膜１７ｂよりも誘電率が高く、絶縁層１７の誘電率を支配的に決定するからである。また、第２の絶縁膜１７ｂは第１の絶縁膜１７ａの表面平坦性を緩和できる程度の厚さで十分だからである。なお、絶縁層１７の表面は撥水性を有することが好ましく、このような観点からも第２の絶縁膜１７ｂには本発明の透明絶縁膜が好適である。

絶縁層１７は、電極層１６の形成領域の全域にわたって形成されることにより、電極層１６と導電性の第１の液体１１との間の電気的短絡を防止している。絶縁層１７は、電極部材１９を介して蓋体１５と対向している。電極部材１９は、液室１８の外部から第１の液体１１へ電圧を印加するためのものであるとともに、透明基材１４と蓋体１５との間を封止する機能を有している。

以上のように構成される本実施形態のエレクトロウェッティングデバイス１０においては、電極層１６と電極部材１９（第１の液体１１）との間に駆動電圧を印加する電圧供給源Ｖが設けられている。第１の液体１１と第２の液体１２の界面１３Ａの形状は、球面あるいは非球面であり、その曲率は電圧供給源Ｖから供給される駆動電圧の大きさに応じて変化する。そして、界面１３Ａは、第１の液体１１と第２の液体１２の屈折率差に応じたレンズパワーをもつレンズ面を構成するので、駆動電圧の大きさを調整することで、蓋体１５側から透明基板１４側へ入射する光Ｌの焦点距離を変化させることが可能となる。

以下に本発明を検証し、実施した例を説明する。
（実施例１）
図１に示すスパッタ装置を使用し、結晶性、表面平坦性評価用として以下の条件で透明絶縁膜（ＺｎＡｌＯ絶縁膜）サンプルを作製した。
・基板Ｓ：Ｓｉウェハ基板（基板温度：常温）
・ターゲット３：Ｚｎ−Ａｌ合金ターゲット（Ｚｎ：７０重量％、Ａｌ：３０重量％）
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：６０％（Ａｒ：３２ｓｃｃｍ、Ｏ_２：４８ｓｃｃｍ）
なお、（反応性ガス流量比）＝（Ｏ_２ガス流量）／｛（Ｏ_２ガス流量）＋（Ａｒガス流量）｝×１００（％）とした。
・成膜速度：２．５ｎｍ／ｍｉｎ
・膜厚：１７９ｎｍ（実測）

また、絶縁性評価用実施例サンプルを図１に示すスパッタ装置を使用し、以下の条件で作製した。
・基板Ｓ：ガラス基板（基板温度：常温）
（ｉ）第１層（透明導電膜）
・ターゲット３：ＡＺＯターゲット（ＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３）
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：導電性確保できる流量比
・膜厚：１００ｎｍ
（ii）第２層（透明絶縁膜）
・ターゲット３：Ｚｎ−Ａｌ合金ターゲット（Ｚｎ：７０重量％、Ａｌ：３０重量％）
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：６０％（Ａｒ：３２ｓｃｃｍ、Ｏ_２：４８ｓｃｃｍ）
・成膜速度：２．５ｎｍ／ｍｉｎ
・膜厚：１００ｎｍ
（iii）第３層（電極膜）
・ターゲット３：Ａｌメタルターゲット
・導入ガス：Ａｒガス

また、比較例１として、図１に示すスパッタ装置を使用し、結晶性、表面平坦性評価用として以下の条件で従来より用いられている絶縁膜（ＺｎＯ絶縁膜）サンプルを作製した。
・基板Ｓ：Ｓｉウェハ基板（基板温度：常温）
・ターゲット３：Ｚｎメタルターゲット
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：６０％（Ａｒ：３２ｓｃｃｍ、Ｏ_２：４８ｓｃｃｍ）
なお、（反応性ガス流量比）＝（Ｏ_２ガス流量）／｛（Ｏ_２ガス流量）＋（Ａｒガス流量）｝×１００（％）とした。
・成膜速度：２．５ｎｍ／ｍｉｎ
・膜厚：１６７ｎｍ（実測）

また、絶縁性評価用実施例サンプルの作製条件において、第２層を以下の条件とし、それ以外は実施例と同じとして絶縁性評価用比較例サンプルを作製した。
・ターゲット３：Ｚｎメタルターゲット
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：６０％（Ａｒ：３２ｓｃｃｍ、Ｏ_２：４８ｓｃｃｍ）
・成膜速度：２．５ｎｍ／ｍｉｎ
・膜厚：１００ｎｍ

得られたサンプルについて、結晶性、表面平坦性、絶縁性について評価したところ、その結果は次のとおりであった。
（１）結晶性
Ｘ線回折（ＸＲＤ）の結果を図４に示す。
図４（ａ）に示すように、本発明のＺｎＡｌＯ絶縁膜では明確なピークが認められず非晶質であることが分かった。これに対し、図４（ｂ）に示す比較例サンプル（ＺｎＯ絶縁膜）では、ＺｎＯ（００２）に強いピークが認められ、結晶性であるとともにｃ軸配向性を示した。

（２）表面平坦性
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により、各サンプルにおける表面状態を観察した。その結果を図５に示す。図５（ａ）に示すように、本発明のＺｎＡｌＯ絶縁膜サンプル表面は滑らかであり、比較例サンプル（図５（ｂ））で見られた表面に点在する微細な突起（ヒロック）も認められなかった。また、平均表面粗さ（Ｒａ）は０．２６ｎｍとなり平坦性に優れていた。これに対し、図５（ｂ）に示す比較例サンプル（ＺｎＯ絶縁膜）では、微細な結晶が集合した表面形態を呈しており、微細な突起（ヒロック）が点在していた。また、平均表面粗さ（Ｒａ）は０．８ｎｍであった。

（３）絶縁性
絶縁性の評価として、耐圧強度を測定した結果を図６に示す。
比較例サンプルでは絶縁破壊に相当する電界強度が０．２６(ＭＶ/ｃｍ)であるのに対して、実施例サンプルは１．４１(ＭＶ/ｃｍ)となり耐圧特性が優れていることが分かった。

表１に、以上の諸特性の結果をまとめて示す。本発明の透明絶縁膜の製造方法によれば、エレクトロウェッティングデバイスに好適な安定した非晶質絶縁膜を作成することが可能となる。

本発明に係る透明絶縁膜の製造方法を実施する上で使用するスパッタ装置の構成を示す概略図である。 エレクトロウェッティングデバイスの概略構成を示す側断面図である。 図２のエレクトロウェッティングデバイスの絶縁層の構造を模式的に示す断面図である。 実施例１のＸ線回折分析の結果を示す図である。 実施例１のＡＦＭ観察結果を示す図である。 実施例１の耐圧強度の測定結果を示す図である。

符号の説明

１…チャンバー、２…基板ホルダー、３…ターゲット、４…ターゲットホルダー、５…直流電源、６…排気ポンプ、７…Ａｒガスボンベ、８…Ｏ_２ガスボンベ、７ａ，８ａ…ガス流量コントローラ、９…ガス配管、９ａ…プロセスガス導入口、１ａ…透明絶縁膜、１０…エレクトロウェッティングデバイス、１１…第１の液体、１２…第２の液体、１３…レンズ素子、１３Ａ…界面、１４…透明基材、１４Ａ…凹所、１５…蓋体、１６…電極層、１７…絶縁層、１７ａ…第１の絶縁膜、１７ｂ…第２の絶縁膜、１８…液室、１９…電極部材、Ｐ…プラズマ、Ｓ…基板

Claims (7)

1. Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有するＺｎ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、不活性ガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気下でスパッタリングして基板上に透明絶縁膜を成膜することを特徴とする透明絶縁膜の製造方法。
2. 前記透明絶縁膜の成膜時の前記Ｏ₂ガスと不活性ガスとの流量比（ｓｃｃｍ比）を２０％以上、８０％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の透明絶縁膜の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の透明絶縁膜の製造方法により基板上に成膜されてなることを特徴とする透明絶縁膜。
4. 非晶質状態の膜であることを特徴とする請求項３に記載の透明絶縁膜。
5. 微細突起のない膜であることを特徴とする請求項３に記載の透明絶縁膜。
6. 電界強度０．８（ＭＶ／ｃｍ）以上の耐圧特性を有することを特徴とする請求項３に記載の透明絶縁膜。
7. Ｚｎ ５０〜９０重量％、Ａｌ １０〜５０重量％を含有するＺｎ−Ａｌ合金材料からなり、不活性ガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気下の反応性スパッタリングにより基板上に透明絶縁膜を成膜するターゲットであることを特徴とするスパッタリングターゲット。