JP2011184750A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の温度制御変動を抑制し、高品質の膜を再現性よく成膜する。
【解決手段】成膜容器と、基板を保持する基板保持部と、基板と対向する位置に配置された成膜源と、基板保持部と成膜源との間に配置された開閉可能なシャッターとを有する成膜装置において、シャッター20を、成膜源やプラズマから発生される熱を基板側に放射する材料で構成する。シャッター材料は、成膜温度における放射率が０．７０以上のものを用いる。
【選択図】図４

Description

本発明は、成膜装置に関し、特に、酸化物強誘電体の成膜に適した装置に関する。

Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素を含む酸化化合物であるＰＺＴ（Pb(Zr_xTi_1-x)O₃）やＰｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素を含む酸化化合物であるＰＬＺＴ（(Pb_1-xLa_x)(Zr_yTi_1-y)_1-x/4O₃）等に代表される多元系酸化物強誘電体は、優れた圧電性、焦電性、電気光学特性等を有し、それらのバルク構造体は種々の電子デバイスへ応用されてきている。特に近年では、不揮発性RAM用のメモリ材料、マイクロアクチュエータ、及び集積型センサ等への応用を目指して、これら金属酸化物の薄膜化が検討されてきている。この薄膜化によって、駆動電圧の低電圧化、素子の集積化、分極処理の省略等が可能になり、バルクでは得られないデバイス特性を発揮するものと期待されている。

従来、このようなペロブスカイト酸化物薄膜の作製法としては、スパッタリング法、あるいはアーク放電反応性イオンプレーティング法(Arc Discharged Reactive Ion Plating：ADRIP)などが主に用いられている。

スパッタリング法は、数Pa程度の圧力に調整されたAr等の希ガス雰囲気中で、基板と対向するターゲット試料との間に直流あるいは高周波電圧を印加することにより希ガスの放電を誘起し、そのガス分子の衝突によって試料をはじき飛ばして基板上に堆積させる方法である。この方法は、高エネルギー原子が基板に衝突して堆積するので、一般に薄膜の密着性が良く、また、基本的にはターゲット組成に近い膜組成が得られやすい。

ADRIP法は、EB（電子ビーム）加熱蒸発源と高密度の酸素プラズマ発生源を用い、蒸発源と酸素プラズマとの反応により生成する物質を基板上に堆積させる方法であり、蒸発材料としてメタルを使用できるため材料効率が高い等の利点がある。またスパッタ法では６００℃以上の高温の処理が必要であったペロブスカイト型酸化物からなるPZT等の薄膜の作製においても、ADRIP法によって比較的低い基体温度（５００℃）で５オングストローム/sの高速成膜を可能にした技術が提案されている（特許文献１）。

スパッタリング法およびADRIP法のいずれにおいても、基板温度は成膜条件の重要な要素であり、スパッタリング法については、基板の裏面側（成膜面と反対側）にヒーターを配置するとともに、裏面に均熱板を配置し、基板温度を均一にする技術（特許文献２）や、基板裏面側に複数のヒーターを配置し、そのうち中央部のヒーターの温度を周辺部のヒーターより低く設定することにより温度を均一にする技術（特許文献３）が提案されている。

さらに特許文献４には、スパッタリング装置において、シャッター開閉の前後で、成膜中の基板温度を一定に保つことを目的として、基板シャッターにヒーターを設けることが記載されている。この特許文献４では、通常は、基板の裏面側に配置されているヒーターをシャッターに移設し、基板の裏面からは高温のガス導入で基板を加熱することを提案している。

特開２００１−２３４３３１号公報 特開２００５−３８９１４号公報 特開２００７−３２７１０６号公報 特開平０７−１１４３８号公報

通常、成膜装置では、基板温度やプラズマの状態が安定化するまで、基板は基板シャッターによって、ターゲットや蒸発源、プラズマ発生源から遮られており、安定化後にシャッターを開き、成膜を開始するように構成されている。基板シャッターとしては、通常、断熱性の高い（熱放射性の低い）ステンレス、より具体的にはＳＵＳ ３０４の銀色粗面のものなどが用いられている。このシャッターの開閉時に基板温度が変化しやすいという問題がある。

特許文献４に記載された技術は、スパッタリング法において、ガスによる基板の加熱とシャッターに備えたヒーターによる加熱を組み合わせることにより、この問題を解決しようとするものである。しかしこの方法は、ガスによる昇温には限度があるため、シャッターオープン後に基板の温度を５００℃以上に維持することは困難であると考えられ、ペロブスカイト酸化物のように基板温度を高温にする必要のある強誘電体の形成には適用できない。

また上記問題は、スパッタリング法に比べADRIP法では、特に顕著となる。それはスパッタリング法では、基板の成膜面側には、マグネトロン放電で発生するプラズマからの輻射熱のみが存在するのに対し、ADRIP法では、プラズマからの輻射熱と蒸発源からの輻射熱が存在し、シャッターを挟む両側の空間に大きな温度差が生じており、通常の温度制御では平衡状態を保つことが困難だからである。

図１１は、ADRIP法に用いられる成膜装置の真空容器内で発生する輻射熱を説明する図である。図示するように、成膜装置では、基板３を支持する基板サセプタ２の上部に、輻射熱により基板３を加熱するヒーター１が配置されるとともに、基板３の下側にプラズマ源や蒸発源等の輻射熱源５が配置され、基板３と輻射熱源５との間に基板シャッター４が配置されている。ヒーター１及び輻射熱源５からは、図１１（ａ）中矢印で示すように、輻射熱ｈ1、ｈ5が基板３に向かって放射され、ヒーター１によって加熱された基板３からも輻射熱ｈ3が発生する。基板シャッター４は、基板３からの輻射熱ｈ3を受けて、基板３側に向かう再輻射熱ｈ41が照射されるとともに、輻射熱源５から放射された輻射熱ｈ5を受けて輻射熱源５に向かう再輻射熱ｈ42が照射される。

ここで基板シャッター４からの放熱は、基板３からの輻射熱および輻射熱源５からの輻射熱に比べて小さいため、これらを合成した結果は、図１１（ｂ）に示すように、基板シャッター４からは殆ど輻射熱が発生していないのと同じ状態になる。このため、基板シャッター４を開いた直後の輻射熱源５からの輻射熱の流入に対して、ヒーター１の制御が間に合わず、基板温度の変動を招いていると考えられる。

この基板温度の変動により、成膜初期の温度が設定温度より瞬間的に高くなり、PZT膜の初期核形成に影響を及ぼす。その結果、初期核の形成の仕方が成膜バッチ毎に揺らぎ、再現性が低下する。また、ADRIP法では、最適条件を決定するためのチューニングが必要となるが、このチューニングに用いる標準的な厚み（約５００μｍ）の基板とSOI基板のような貼り合せ基板や２００μｍ以下の極薄基板とでは、基板の厚み、積層構造の違いによる熱伝導率（熱抵抗）の差に起因して、熱平衡に達するまでの時間が異なる。このため、異なる基板を同時に成膜する場合、シャッターオープン直後の基板表面温度に差が生じ、同じ組成、結晶構造の膜を作製することが困難となる。その結果、基板ごとに条件のチューニングが必要となり、プロセス確立が煩雑になる。

本発明は上記課題を解決し、基板の温度変動を抑制し、高品質の膜を再現性よく成膜することのできる成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板と輻射熱源とを隔てるシャッターの材料として、輻射熱源からの熱を基板側に放射する高放射率材料を採用し、シャッターの閉状態において、輻射熱源からの熱を含む環境で基板の熱的平衡状態を実現する。

すなわち、本発明の成膜装置は、成膜容器と、基板を保持する基板保持部と、基板と対向する位置に配置された成膜源と、基板保持部と成膜源との間に配置された開閉可能なシャッターとを有し、シャッターは、プラズマ源および成膜源から発生される熱を基板側に放射する材料からなることを特徴とする。

本発明の成膜装置は、基板と成膜源との間の空間にプラズマを生成するプラズマ源を備えたものであってもよく、その場合、シャッターは基板とプラズマ源との間に配置される。

シャッターの材料は、好ましくは、成膜温度における放射率が０．７０以上であり、例えば、ジルコン、酸化インコネル、および酸化モリブデンから選ばれる金属酸化物からなる。

本発明の成膜装置において、好ましくは、基板保持部は、基板を加熱する加熱手段と、基板の温度を検出する温度センサと、温度センサが検出した温度により加熱手段をフィードバック制御する制御手段を備える。

本発明によれば、シャッターを閉じた状態で、成膜源やプラズマ源等の輻射熱源からの熱を含む環境で基板の熱的平衡状態を実現することができるので、シャッターを開いた瞬間の基板温度の変動を抑制できる。

上記本発明の効果を図１１と対比される図１により説明する。図１において、図１１と同じ要素は同じ符号で示す。

図１（ａ）に示すように、ヒーター１からは輻射熱ｈ1が基板３に放射され、シャッター４の下側にある輻射熱源５からは輻射熱ｈ5がシャッター４側に放射される。ヒーター１により加熱された基板３からも輻射熱ｈ3が放射されている。シャッター４は、基板３からの輻射熱ｈ3と輻射熱源5からの輻射熱ｈ5を受けて加熱される。ここでシャッター４は、高放射性材料からなるので、加熱されたシャッター４の熱は、基板側と輻射熱側にそれぞれ再輻射熱ｈ43、ｈ44として放射され、この再輻射熱ｈ43は、基板３からの輻射熱ｈ3よりも大きいものとなる。

従って、各要素から放射される輻射熱の合計は、図１（ｂ）に示すように、シャッター４から基板３に向かう輻射熱が生じている状態となる。つまりシャッター４が閉状態において、基板３はシャッター開状態のときとほぼ同様の熱的平衡が実現される。

（ａ）および（ｂ）は、本発明による成膜装置における輻射熱の状態を説明する図。 本発明の成膜装置の一実施形態の概要を示す図。 図１の成膜装置の基板サセプタの詳細を示す説明図。 図１の成膜装置の基板シャッターの詳細を示す図で、（ａ）は各要素を示す斜視図、（ｂ）は側断面図。 実施例１および比較例１において測定した、基板シャッターの開前後の基板温度の変化を示すグラフ。 実施例１の１０回の成膜で得られたPZT膜の誘電率のばらつきを示すグラフ。 実施例１の１０回の成膜で得られたPZT膜の誘電損失（tanδ）のばらつきを示すグラフ。 実施例１の１０回の成膜で得られたPZT膜の組成ｘのばらつきを示すグラフ。 実施例２において異なる種類の基板上に成膜した膜のX線回折像を示すグラフ。 比較例２において異なる種類の基板上に成膜した膜のX線回折像を示すグラフ。 従来の成膜装置における輻射熱の状態を説明する図。

以下、本発明の成膜装置の実施形態について図面を用いて説明する。

図２は、本発明の成膜装置の一実施形態を示す図である。この成膜装置は、アーク放電プラズマ型イオンプレーティング装置であり、図示しない真空ポンプに接続された真空容器10と、真空容器10内にプラズマを発生させるためのプラズマガン50とを備えている。

真空容器10内には、成膜すべき基板11を支持する基板サセプタ13が配置されている。基板サセプタ13には、図３に示すように、一方の面に基板11を保持するための基板押さえ16を備えるとともに、基板11が配置される面と反対側に基板11を加熱するためのヒーター12が設置されている。また基板サセプタ13には、熱電対等の温度センサ14が配置されている。ヒーター12および温度センサ14には、フィードバック制御回路15が接続されている。フィードバック制御回路15は、温度センサ12の出力信号をとりこんで、それに応じてヒーター12に供給する電流値を制御し、基板サセプタ13の温度を所定温度に制御する。

真空容器10内の基板11に対向する位置には、複数の蒸発源30が配置される。蒸発源30は、成膜すべき薄膜の組成に応じて種々の金属や金属酸化物が用いられる。図２には図示していないが、真空容器10内には、蒸発源30に電子ビームを照射する電子ビーム源（EBガン）が備えられている。

また真空容器10には、基板11と蒸発源30との間の空間に反応ガスを供給するための反応ガス供給管17が配置されている。また、蒸発源30と基板11との間には、成膜開始までの間、蒸発源30の蒸気が基板11に到達するのを遮るための基板シャッター20が配置されている。本発明の成膜装置は、この基板シャッター20の材質に特徴がある。基板シャッター20については、後に詳述する。

プラズマガン50は、真空容器10の、基板シャッター20より下側に、設置され、真空容器10にHe、Ar等不活性ガスのプラズマを送り出す。プラズマガン50の構成は特に限定されないが、本実施の形態では、電子流を反射させる反射型でかつ圧力勾配型のプラズマガンが用いられている。この種のプラズマガンは、筒状のプラズマガン容器51に、陰極53、中間電極55、陽極57を順に配置した構造を有し、陰極53には放電ガスの導入口59が備えられている。なお図では、一つの中間電極55を示しているが、中間電極は複数であってもよい。

中間電極55は、中央に所定の径の貫通孔を有しており、この貫通孔によってプラズマガン容器51の圧力を真空容器10よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。中間電極55には、生じたプラズマを収束させて貫通孔を通過させるための磁場を発生する永久磁石または電磁石が必要に応じて内蔵されている。

陰極51から適切な流量の放電ガスを流して、直流電源52により陰極53と陽極57間に電圧を印加することにより、陰極53と陽極57間及び真空容器10内に直流アーク放電プラズマを発生させることができる。

次に、本発明の特徴である基板シャッター20について説明する。本発明の成膜装置は、この基板シャッター20を、輻射熱を高い割合で放射できる物質（以下、高放射率材料）で構成したことを特徴としている。高放射率材料としては、放射率ε０．７０以上の物質が好ましく、特に成膜温度（例えば５００℃〜７００℃）において熱を放射しやすい放射率ε０．７０以上の物質が好ましい。このような高放射率材料として、具体的には、ジルコン（ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂、ε＝０．９２〜０．８）、酸化インコネル（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金の酸化物、ε＝０．８５）、酸化モリブデン（ε＝０．８）、カーボングラファイト（ε＝０．８５）、酸化チタン（ε＝０．８）等が挙げられ、特にε＝０．８〜０．９のジルコン、酸化インコネル、酸化モリブデンなどの金属酸化物が好適である。これら金属酸化物からなる高放射率材料は、熱放射性が高いとともに、蒸発材料が付着した場合にも、洗浄することにより除去することが可能であり、取り扱い性に優れる。

基板シャッター20は、全体を上述した高放射率材料で構成することも可能であるが、高い熱伝導性の支持体に、基板１１に対向する領域に高放射率材料からなるシャッターを取り付けたものを用いてもよい。高い熱伝導性の支持体としては、アルミニウム合金やＳＵＳ３０４等の板状のものを使用することができる。

また基板シャッター20の構造としては、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳＵＳ等の金属製の枠21に、高放射率材料からなるシャッター板22を着脱自在に固定した構造を採用することが好ましい。シャッター板22は、蒸発材料が付着することにより熱放射率が低下する可能性があるが、通常のメンテナンスサイクル（３バッチ毎）では、成膜するPZT膜の厚みは数十μｍ程度であり、熱放射率が低下するほどの付着はない。またシャッター板を交換可能な構造とすることにより、メンテナンスサイクル時にシャッター板22のみを洗浄済みシャッター板と交換することができるので、蒸発物の付着による熱放射率の低下を確実に防止できる。

シャッター板22の厚みは、通常１〜２ｍｍとする。厚すぎると自重により垂れ下がり基板シャッター20の可動性が悪化する等の問題や熱容量が大きくなり熱遮断となる虞があるからである。

本実施形態の成膜装置を用いて成膜を行う手順について具体的に説明する。

１以上の基板11を基板サセプタ13にセットする。複数の基板11をセットする場合、同種のものでもよいし、厚みや種類が異なっていてもよい。蒸発源30として、所望の１以上の蒸発源をセットする。真空容器10およびプラズマガン容器51を所定の真空度まで排気する。反応ガス供給管17から所定の反応ガス（例えば酸素）を供給する。

基板シャッター20を閉じた状態で、プラズマガン50からアーク放電プラズマを生じさせ、真空容器10にプラズマを引き出す。蒸発源30に不図示のEBガンから電子ビームを照射し、蒸発源30をそれぞれ加熱する。

制御回路15を動作させ、基板11を裏面側からヒーター12で加熱し、設定温度となるように制御する。ここで、基板シャッター20は高放射率材料から構成されているため、蒸発源30からの熱が基板シャッター20を通して基板11に放射され、基板11を加熱する。制御回路15は、ヒーター12からの熱と、基板シャッター20により再放射された蒸発源30から熱との合計の熱で加熱された基板11の温度が設定温度となるようにヒーター12を制御する。従って、材質や構造の異なる複数種類の基板11をセットしても成膜開始時には全て熱的平衡に達して、同一の基板表面温度にすることができる。

プラズマの生成および蒸発源30からの蒸発量が安定し、かつ、フィードバック制御により基板11の温度が設定温度で熱平衡に達したならば、基板シャッター20を開き、成膜を開始する。蒸発源30からの蒸気は、放電ガス（例えばヘリウム）および反応ガス（例えば酸素）の混合プラズマを通過して、所定の反応を生じながら設定温度の基板11上に堆積する。

基板シャッター20を開いた後は、蒸発源とプラズマ源からの熱量が直接基板に入射するが、既に基板温度は、これらからの輻射熱を加味した制御によって熱平衡状態になっているので、シャッターを開いた瞬間でも、基板11の温度は殆ど影響を受けない。

このように成膜開始時の基板温度変動を抑制できるので、基板11に蒸発源30からの蒸気が堆積する成膜初期の核形成を安定化することができる。しかも、基板の温度変動が生じないため、毎回同じ成長条件で成膜できる。これにより、例えば、強誘電体膜を成膜する場合において、成膜再現性が向上するとともに、初期核の乱れに起因する欠陥の発生を抑制できる。基板11への膜の密着力の低下も抑制することができる。

また、従来の成膜装置では、基板サイズが大きくなると、膜厚や膜特性に分布が生じることがしばしばあった。これは、図３に示すように、基板11中央と、基板を設置している基板押さえ16近傍とでは放熱に差があることに起因するが、本実施形態の成膜装置は、サセプタ13側のヒーターだけでなく、基板シャッターを介した蒸発源からの熱の合計量についてフィードバック制御し、熱平衡状態に達するようにしているので、基板サイズに依らず、例えば大口径のウェハ（８インチ）でも良好な圧電特性を示すPZT膜等の強誘電体膜を形成することが可能となる。

上記実施形態では、アーク放電イオンプレーティング装置について説明したが、この装置に限らず、基板シャッター20で基板11と隔てられた空間に、輻射熱の熱源が存在する装置、例えば蒸着装置やスパッタリング装置のような物理蒸着装置についても、同様に本実施形態の基板シャッター20の構造を適用することができる。

上述してきたように本発明によれば、成膜開始前後（基板シャッター開閉後）に、基体温度変動を抑えることができるとともに、高品質の膜が得られるため、原料の利用効率を高めることができ、安全性、対環境性に優れた強誘電体薄膜の製造に適している。例えばPZT膜を圧電薄膜して用いて駆動するMEMS光スキャナや、インクジェットプリンタヘッドを製造することができる。

＜実施例１、比較例１＞
＜基板温度の変化＞
図２に示すような、中間電極（３つ）を持ったプラズマガン50が取り付けられている反射型圧力勾配型アーク放電イオンプレーティング装置を用いて、ペロブスカイト型酸化物で強誘電体および圧電体の特性を示すチタン酸ジルコン酸鉛PZT（Pb(Zr_xTi_1-x)O₃）薄膜の形成を実施した。その際、反応開始前から開始後までの基板温度を、熱電対によりモニターした。
イオンプレーティング装置の基板シャッターとして、実施例１では、放射率ε＝０．８〜０．９のジルコン（板厚１ｍｍ）を、比較例１では、放射率ε＝０．４のＳＵＳ３０４の銀色粗面板（板厚１ｍｍ）を用いた。それ以外の条件および成膜方法は、以下述べるように実施例１および比較例１で同様とした。

基板11は、(100)面Siウェハ上にSiO2／Ti／Ptの順に各構成材料を堆積したものを用い、蒸発源30の材料として、Pb、Zr、Tiの各金属を用いた。

まず、圧力勾配型アーク放電プラズマガン50に、キャリアガスとして１００sccmのHeガスを導入し、直流バイアス電圧を印加することにより、アーク放電を発生させた。放電電圧は１２０V、放電電流は７０Aで制御した。このアーク放電で生成した高密度プラズマ（プラズマ密度１０¹²cm³以上)を、プラズマ制御用の磁場発生源によって生じた３００ガウス程度の磁場によって真空容器内に導いた。

この状態で、ガス導入管よりO₂ガスを反応ガスとして２５０sccm導入することにより、真空容器内に高密度の酸素プラズマ及び酸素ラジカルを生成した。

一方、基板シャッター20を閉じた状態で、基板11をヒーター12により５５０℃程度に加熱するとともに、上記のHeとO₂の混合プラズマの存在下で、蒸発源30を電子ビーム加熱により各々独立に蒸発させた。各金属の蒸発量は、水晶振動式膜厚センサによってモニターし、電子ビーム加熱源の出力をフィードバック制御することにより、蒸発量が一定量となるように制御した。具体的には、Pb蒸発量がZrとTiの蒸発量の合計に対して１０〜２０倍の範囲になるように、かつZrとTiの蒸発量がほぼ同等になるように、蒸発源の出力を制御した。これにより、PZT膜の膜組成がx＝０．５、すなわちPb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃となるように調整した。

この状態で約２０分経過した後、基板シャッターを開き、各原料金属蒸気と混合プラズマ中の酸素ラジカルとを反応したものを基板11上に堆積させ、基板上への成膜を開始した。成膜時の圧力は０．１Pa、成膜速度は１nm／s以上とし、約６０分成膜を行い、最終的に膜厚４μmのPZT膜を形成した。

基板シャッターを開く２０分前から成膜終了までの基板温度の変化を図５に示す（図中、実施例１の結果を白丸で、比較例１の結果を黒丸で示した）。実施例１および比較例１との比較からわかるように、熱放射性の低い材料を用いた比較例１では、基板シャッターを開いた後、基板温度が一時的に約１００℃も上昇したのに対し、実施例１では、基板シャッター前後で殆ど基板温度に変化がなかった。これは、比較例１では、基板シャッターの閉状態では蒸発源からの熱が遮断されており、基板は専らヒーターからの熱で５５０℃という温度が保たれているため、基板シャッターを開状態にすると蒸発源からの熱によって基板がさらに加熱されて温度が上がるのに対し、実施例では基板シャッターとして高熱放射性材料を用いているため、基板シャッター閉状態においても蒸発源からの熱とヒーターからの熱との合計で基板温度が保たれているので、基板シャッター開閉前後で急激な温度変化を生じないためである。このように実施例１によれば、基板シャッター開閉前後で温度変化がなく、安定した核形成が可能であることが確認された。

＜再現性の確認＞
実施例１および比較例１の成膜方法により、それぞれPZT膜を１０回成膜し、各回で得られたPZT膜の組成および特性（誘電率および誘電損失）の再現性を確認した。なお、目標とするPZT膜の組成はPb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃、目標とする誘電率および誘電損失は、それぞれ１０５０、３．００％である。

得られたPZT膜の組成は、ＥＤＸ分析により計測した。また特性は、誘電率および誘電損失をそれぞれ測定した。さらに得られたPXT膜の結晶相をX線回折像で解析した。

誘電率の再現性の違いを図６に示す。低放射性基板シャッターを用いた比較例１の方法でPZTを成膜した結果、目標誘電率1050に対し、１０回の成膜で誘電率が５００〜１１００の範囲にばらつき、ロッド間のばらつき率は３０%以上であった。一方、実施例１のPZT膜は、１０回の成膜で誘電率は１０００〜１１００の範囲に入り、ロッド間ばらつき率は、５%以内に抑制できた。

また、誘電損失（tanδ）のロッド間ばらつきを図７に示す。比較例１の成膜方法では、目標誘電損失３．００％に対し、tanδ＝３．３０%〜８．３０%の範囲にばらつき、１０回の成膜ロッド間のばらつき率４０%以上であった。一方、実施例１では、tanδ＝２．９５%〜３．１５%の範囲に入り、１０回の成膜ロッド間ばらつき率は、５%以内に抑制できた。

また、組成のばらつきを図８に示す。PZTの組成をx＝０．５、すなわちPb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃を目標にした場合、比較例１では、x＝０．３３〜０．７５と、３５%以上のばらつきが生じた。一方、実施例１ではx＝０．４８〜０．５２と、５%以内に組成を安定化させることができた。

＜実施例２、比較例２＞
用いる基板の種類を異ならせて、実施例１および比較例１と同様の成膜方法で基板上にPZT膜を成膜し、基板種類の違いによる結晶構造の変化を測定した。基板として、ベアSi（厚さ５００μm）、SOI（厚さ５０μm／２．０μm／４５０μm）、ベアSi（厚さ６２５μｍ）の３種類を用いた。得られた実施例２のPZT膜のＸ線回折像を図９に、比較例２のPZT膜のＸ線回折像を図１０に示す。図９および図１０において、（ａ）はベアSi（厚さ５００μm）を用いた場合、（ｂ）はSOIを用いた場合、（ｃ）はベアSi（厚さ６２５μｍ）を用いた場合を示す。

図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、実施例２では、３種類の基板上にそれぞれ同じ結晶構造のペロブスカイト単相PZT膜が形成されていることが確認できた。この結果は、実施例２の成膜方法では、基板の厚みや材料によって熱容量が異なっていても、基板シャッターを開く時点で基板温度がヒーターからの熱と蒸発源からの熱との合計で平衡に達しているため、温度変化とそれによる初期核形成への影響を受けていないことを裏付けている。従って、実施例1の成膜方法で成膜することにより、成膜条件を基板の種類ごとにチューニングする必要がないことがわかった。

比較例２では、ベアSi基板（500μm）上に成膜したPZT膜は、図１０（ａ）に示すように、(001)に強く配向した結晶性であることが確認された。また、SOIの基板上に成膜したPZT膜は、図１０（ｂ）に示すように、(001)、(110)が観測されたことからペロブスカイトが形成されていることは確認できたが、３０度付近にPbOの異相が出現していた。すなわち、ベアSi基板とは異なり、ペロブスカイト単相にはなっていなかった。これは、SOI基板は、中間層にSiO₂層が２．０μm挿入されており、SiO₂層はSiに比べて熱伝導率が１００倍小さいために、蒸発源とプラズマ源から入射した熱量を基板11上でSiO₂層が断熱し、基板シャッター20を開いたときに、基板11の表面温度が瞬間的に高くなる現象が生じたためと推測される。この現象により、初期核の成長に影響が生じたと考えられる。

厚さ６２５μmのベアSi基板に成膜したPZT膜は、図１０（ｃ）の回折像から明らかなようにペロブスカイト単相にはならなかった。これは、基板の厚みが５００μmと比較して、１２５μm厚いため、厚さ６２５μm基板の方が厚さ５００μmmの基板よりも熱抵抗が大きくなり、その結果表面温度の上昇が起こったため、３０度付近のPbOの異相のピークが出現したものと考えられる。

本発明によれば、基板を成膜する装置であって、成膜材料と基板との間に、成膜の開始を制御するシャッターを設けた成膜装置において、シャッターの開閉前後において温度の変動を極力少なくし、膜の初期核形成を安定して行なうことが可能であり、膜特性の再現性が優れた成膜装置が提供される。
本発明の成膜装置は、安全性、対環境性に優れた強誘電体薄膜の製造に適している。

10…真空容器、11…基板、12…ヒーター、13…基板サセプタ、14…温度センサ、15…制御回路、20…基板シャッター、30…蒸発源、50…プラズマガン

Claims (6)

1. 成膜容器と、基板を保持する基板保持部と、前記基板と対向する位置に配置された成膜源と、前記基板と前記成膜源との間の空間にプラズマを生成するプラズマ源と、前記基板保持部と前記プラズマ源との間に配置された開閉可能なシャッターとを有する成膜装置であって、
   前記シャッターは、前記プラズマ源および成膜源から発生される熱を前記基板側に放射する材料からなることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置において、前記シャッターの材料は、成膜温度における放射率が０．７０以上であることを特徴とする成膜装置。
3. 請求項１または２に記載の成膜装置において、前記シャッターの材料は、５００℃から６００℃における放射率が０．７０以上であることを特徴とする成膜装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の成膜装置において、前記シャッターの材料は、ジルコン、酸化インコネル、および酸化モリブデンから選ばれる金属酸化物からなることを特徴とする成膜装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の成膜装置において、前記基板保持部は、前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の温度を検出する温度センサと、前記温度センサが検出した温度により前記加熱手段をフィードバック制御する制御手段と、を備えることを特徴とする成膜装置。
6. 成膜容器と、基板を保持する基板保持部と、前記基板と対向する位置に配置された成膜源と、前記成膜源と前記基板との間を隔てる位置に配置された開閉可能なシャッターとを有し、
   前記シャッターは、前記成膜源から発生される熱を前記基板側に放射する材料からなることを特徴とする成膜装置。

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