JP2715299B2 - Method for forming Z-bottom nO film - Google Patents

Method for forming Z-bottom nO film

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JP2715299B2
JP2715299B2 JP62136078A JP13607887A JP2715299B2 JP 2715299 B2 JP2715299 B2 JP 2715299B2 JP 62136078 A JP62136078 A JP 62136078A JP 13607887 A JP13607887 A JP 13607887A JP 2715299 B2 JP2715299 B2 JP 2715299B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、電子素子,圧電素子,光学的被膜等の種々
の用途に用いられるZnO膜の形成方法に関するものであ
る。 (従来の技術) 金属酸化物膜の形成には、一般に用いられている成膜
方法のほとんどすべてが利用可能といえる。真空技術を
利用する方法だけを見ても、スパッタリング法,反応性
スパッタリング法,熱CVD法,プラズマCVD法など種々の
方法が実用となっている。成膜における共通の課題は、
特に工業的な利用という点から見ると、高速化と膜の良
質化である。そのような背景から試みられ、実用化をめ
ざしている方法として、電磁界のエネルギーを利用した
ものが注目されている。この利用により、通常スパッタ
リング法やプラズマCVD法などにおけるより効率よく放
電させることができ、しかも圧力を下げられる(高真空
度にする)ために、高速で良質な膜が得られる可能性が
ある。 (発明が解決しようとする問題点) ガスソースを用いる場合における問題のうち、重要な
ものとしては、有機金属ガスの分解の完全性、あるいは
中間生成物の状態,その有機、膜の結晶性,表面形状な
どである。 中間生成物の存在,酸化不足等によって、膜はその結
晶性,膜構造,表面形状等に影響を受ける。例えば、Zn
O膜を圧電材料として用いる場合、結晶構造の乱れは圧
電特性の低下をもたらし、表面荒れのある場合には、表
面弾性波の伝播損失が大きくなる。また、ZnO膜を透明
導電性膜として利用する場合においては、所望の電気抵
抗値が得られず、可視光透過率が低下するなどの欠点が
あった。 本発明の目的は、従来の欠点を解消し、薄膜の成長表
面における凹凸の発生を抑制して表面平坦度の向上をは
かり、表面弾性波の伝播特性,可視光透過率等の膜質の
優れたZnO膜の形成方法を提供することである。 (問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は、Znを含む有機
金属のガスと、酸素を含む気体とを原料ガスとして真空
槽内に導入し、プラズマ化して基板上にZnO膜を形成す
る方法であって、前記ZnO膜の形成中に、前記原料ガス
とは別のもので、前記ZnO膜の酸化促進、成膜中の中間
生成物の低減を行うための酸化作用を有するガス、ある
いはエッチング反応による前記ZnO膜表面の平坦化を行
うための還元作用を有するガスを前記真空槽内に導入す
ることを特徴とするZnO膜の形成方法である。 (作用) 上記構成によれば、まず、酸化作用を有するガスを導
入する場合においては、Znを含む有機金属のガスの分解
の促進、中間生成物の低減、膜酸化度の向上等が図られ
るため、得られるZnO膜はC軸配向等の結晶性が向上
し、表面形状が改善されて表面平坦度の向上がはから
れ、優れた圧電特性、表面弾性波の伝播特性が得られ
る。また、可視光透過率が増して、適正な電気抵抗値を
有する透明導電膜が得られる。 また、還元作用を有するガスを導入する場合において
は、成膜反応と、エッチング反応が同時的に進行するの
で、ZnO膜表面を平坦化し、表面弾性波の伝播特性が向
上する。 (実施例) 以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら
詳細に説明する。 実施例1 図は、本発明の一実施例におけるZnO膜を形成するた
めの、ECRプラズマCVD装置の概略構成を示したものであ
る。図において、プラズマ室1および成膜室2は、とも
に排気系3によって10-6Torr圧以下に排気される。原料
ガスとして、例えばO2およびジメチル亜鉛(以下DMZと
略す)がプラズマ室1に導入され、マイクロ波(2.45G
Hz)発振器5のパワーが投入されてコイル6により磁界
を形成し、電子サイクロトロン共鳴状態(ECR状態)と
する。円運動する高エネルギー電子の作用により、効率
よくプラズマを生じる。磁界は成膜室方向に向かって緩
やかに弱くなる発散磁界となっており、それによりイオ
ンは基板7の方向に輸送され、基板7上にZnO膜が形成
される。 O2およびDMZだけで成膜を行った場合には、形成され
たZnO膜の表面が荒れやすく、膜厚約6μmの膜の表面
において、走査電子顕微鏡による観察でおよそ4000Åの
表面凹凸が見られる。また、結晶構造の乱れも生じるた
めに抵抗値は低くなる傾向にあり、目的とする圧電特性
を得るために必要な106Ω・cm程度以上の高抵抗は得ら
れない。 O2,DMZに加えてN2O,H2Oなどの酸化作用を有するガス
を少量、予備導入口4より成膜室2に導入する。これら
のガスは、酸化を促進する作用を有しているために、膜
を十分に酸化させることができる結果、凹凸などの表面
形状を改善して平坦化を図ることができる。 また、酸化作用を有するガスを導入した場合、DMZの
ような有機金属のガスの分解の際に生ずる中間生成物、
特にハイドロカーボンによると見倣される炭素の影響を
排除することが可能となり、C軸配向乱れのような問題
がなくなり、結晶性が向上する。 また、H2O,アルコールなどの還元作用を有するガス
は、ZnOに対しエッチング作用を及ぼす効果があるた
め、成膜中にこれらのガスを添加すること、すなわち成
膜反応と、エッチング反応が同時に進行する準平衡的条
件をつくり出すことにより、表面を平坦化しながら成膜
を進行させることができる。 以上のように、酸化作用を有するガスや還元作用を有
するガスを利用すると、形成されたZnO膜の表面の平坦
度を向上し、凹凸を1000Å程度以下に抑えることがで
き、特に、酸化作用を有するガスを利用すると結晶性を
向上させることができるため、表面弾性波素子として必
要な圧電特性を示す高抵抗かつ表面波伝播損失の少ない
ZnO膜を形成することができた。その一例を示すと、抵
抗値1.3×107Ω・cm,電気機械結合係数7.6%が得られ
た。 なお、上記の成膜中に基板温度は170℃程度に設定し
たが、室温で成膜したところ、表面は荒れて見え、ま
た、抵抗値の再現性が悪くなった。したがって、基板加
熱を行うことが効果的である。 本実施例においては、原料ガスにDMZを用いたが、ジ
エチル亜鉛(DEZ)等、同系列の他の亜鉛を含む有機金
属のガスソースの使用も可能である。また、本発明にお
いては、酸化作用を有するガスとしてCO2等の種々のも
のを用いることができ、また、還元作用を有するガスと
しても種々用いることができる。 実施例2 実施例1におけるのと同様の装置を用い、図の窓8よ
りレーザー光lを成膜室2内に導く。窓材としては、真
空紫外光のような短波長光の利用も可能なように合成石
英を用いた。レーザー光の利用には大別して2通りあ
り、フォトンの持つエネルギーにより気相中での励起,
分解を起こさせる方法と、基板を直接照射し、その熱作
用を利用する方法とがある。本実施例におけるDMZを用
いたZnO膜の形成に際しては、これらの作用が利用でき
る。 真空紫外域のレーザーとしてエキシマレーザー(KrF,
波長248nm)を用い、基板に水平かつその表面を直射し
ないようにした。このとき、プラズマ室1で分解しきれ
ないで、僅かに残ったまま成膜室2に到着したDMZ等
は、フォトンの高エネルギーにより分解されるため、Zn
とともに炭素が膜中に取り込まれることを防げる。こう
することにより、ZnO膜のC軸は問題なく配向する。 可視あるいは赤外領域のレーザー光として、例えばYA
Gレーザーの光を基板表面に直接照射する。これによ
り、レーザー光照射のない場合に比して、表面波長の伝
播損失が10.5dB/cmから4db/cmに減少した。これは、レ
ーザー光照射によりZnO膜表面の平坦度が向上したため
と考えられる。 (発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、Znを含む有機
金属のガスと、酸素を含む気体とを原料として用いる他
に、酸化作用を有するガスまたは還元作用を有するガス
を導入することにより、これらのガスの酸化作用あるい
は還元作用、またはこれらの複合作用の結果、結晶性に
優れ、表面の平坦なZnO膜が得られる。また、抵抗値,
圧電特性、可視光透過率等の膜物性も改善が見られ、圧
電素子や光学的被膜等に有効に利用することができる。
さらには、ガスソースを用いた成膜の高速性を生かし、
量産性に優れたZnO膜の形成方法を提供することがで
き、その実用上の効果は大である。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming a ZnO film used for various uses such as an electronic element, a piezoelectric element, and an optical coating. (Prior Art) It can be said that almost all generally used film forming methods can be used for forming a metal oxide film. Various methods such as a sputtering method, a reactive sputtering method, a thermal CVD method, and a plasma CVD method have been put into practical use, even if only the method utilizing the vacuum technique is viewed. Common challenges in film formation are:
From the standpoint of industrial use, in particular, high speed and good film quality are required. In view of such a background, a method that utilizes the energy of an electromagnetic field has attracted attention as a method aiming at practical use. By this use, it is possible to discharge more efficiently than in a normal sputtering method, a plasma CVD method, or the like, and furthermore, there is a possibility that a high-quality film can be obtained at high speed because the pressure can be reduced (to a high degree of vacuum). (Problems to be Solved by the Invention) Among the problems in the case of using a gas source, the important ones are the completeness of decomposition of the organometallic gas or the state of the intermediate product, the organic and film crystallinity, Surface shape. The film is affected by its crystallinity, film structure, surface shape, and the like due to the presence of intermediate products and insufficient oxidation. For example, Zn
When the O film is used as a piezoelectric material, the disorder of the crystal structure causes a decrease in the piezoelectric characteristics. When the surface is rough, the propagation loss of the surface acoustic wave increases. Further, when a ZnO film is used as a transparent conductive film, there are drawbacks in that a desired electric resistance value cannot be obtained and a visible light transmittance is reduced. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the conventional drawbacks, to suppress the occurrence of irregularities on the growth surface of a thin film, to improve the surface flatness, and to achieve excellent film quality such as surface acoustic wave propagation characteristics and visible light transmittance. An object of the present invention is to provide a method for forming a ZnO film. (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention introduces a gas of an organic metal containing Zn and a gas containing oxygen into a vacuum chamber as raw material gases and converts them into plasma. A method of forming a ZnO film on a substrate, wherein during the formation of the ZnO film, different from the source gas, to accelerate the oxidation of the ZnO film and reduce intermediate products during the film formation. A method for forming a ZnO film, characterized by introducing a gas having an oxidizing effect of the above or a gas having a reducing effect for flattening the surface of the ZnO film by an etching reaction into the vacuum chamber. (Function) According to the above configuration, first, when a gas having an oxidizing action is introduced, promotion of decomposition of a gas of an organic metal containing Zn, reduction of an intermediate product, improvement of the degree of film oxidation, and the like are achieved. Therefore, the obtained ZnO film has improved crystallinity such as C-axis orientation, and has an improved surface shape and surface flatness, and excellent piezoelectric characteristics and excellent surface acoustic wave propagation characteristics can be obtained. Further, the visible light transmittance increases, and a transparent conductive film having an appropriate electric resistance value can be obtained. When a gas having a reducing action is introduced, the film forming reaction and the etching reaction proceed simultaneously, so that the surface of the ZnO film is flattened and the propagation characteristics of surface acoustic waves are improved. (Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 1 shows a schematic configuration of an ECR plasma CVD apparatus for forming a ZnO film according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, both a plasma chamber 1 and a film forming chamber 2 are evacuated to a pressure of 10 −6 Torr or less by an exhaust system 3. As a source gas, for example, O 2 and dimethyl zinc (hereinafter abbreviated as DMZ) are introduced into the plasma chamber 1 and microwave (2.45 G
Hz) The power of the oscillator 5 is turned on, a magnetic field is formed by the coil 6, and the state is changed to an electron cyclotron resonance state (ECR state). Plasma is generated efficiently by the action of high-energy electrons that move in a circular motion. The magnetic field is a divergent magnetic field that gradually weakens toward the film forming chamber, whereby ions are transported toward the substrate 7 and a ZnO film is formed on the substrate 7. When the film is formed only with O 2 and DMZ, the surface of the formed ZnO film is easily roughened, and the surface of the film having a thickness of about 6 μm has surface irregularities of about 4000 ° observed with a scanning electron microscope. . In addition, since the crystal structure is disturbed, the resistance value tends to be low, and a high resistance of about 10 6 Ω · cm or more required for obtaining desired piezoelectric characteristics cannot be obtained. In addition to O 2 and DMZ, a small amount of an oxidizing gas such as N 2 O or H 2 O is introduced into the film formation chamber 2 from the preliminary introduction port 4. Since these gases have an action of promoting oxidation, the film can be sufficiently oxidized. As a result, the surface shape such as unevenness can be improved and flattened. In addition, when a gas having an oxidizing effect is introduced, an intermediate product generated when an organic metal gas such as DMZ is decomposed,
In particular, it is possible to eliminate the influence of carbon, which is assumed to be due to hydrocarbons, so that problems such as disorder in C-axis orientation are eliminated, and crystallinity is improved. Further, since gases having a reducing action such as H 2 O and alcohol have an effect of exerting an etching action on ZnO, it is necessary to add these gases during film formation, that is, the film forming reaction and the etching reaction are simultaneously performed. By creating a quasi-equilibrium condition that progresses, film formation can proceed while the surface is flattened. As described above, when a gas having an oxidizing action or a gas having a reducing action is used, the flatness of the surface of the formed ZnO film can be improved, and the unevenness can be suppressed to about 1000 mm or less. Since the crystallinity can be improved by using the gas having, high resistance and low surface acoustic wave propagation loss exhibiting the piezoelectric characteristics required as a surface acoustic wave element
A ZnO film could be formed. As an example, a resistance value of 1.3 × 10 7 Ω · cm and an electromechanical coupling coefficient of 7.6% were obtained. Although the substrate temperature was set at about 170 ° C. during the above film formation, when the film was formed at room temperature, the surface looked rough, and the reproducibility of the resistance value was poor. Therefore, it is effective to heat the substrate. In the present embodiment, DMZ was used as a source gas, but another zinc-containing organometallic gas source such as diethyl zinc (DEZ) may be used. In the present invention, various gases such as CO 2 can be used as a gas having an oxidizing action, and various gases can be used as a gas having a reducing action. Example 2 Using the same device as in Example 1, a laser beam 1 is guided into the film forming chamber 2 through a window 8 in the figure. As the window material, synthetic quartz was used so that short-wavelength light such as vacuum ultraviolet light could be used. There are roughly two ways of using laser light. Excitation in the gas phase by the energy of photons,
There are a method of causing decomposition and a method of directly irradiating the substrate and utilizing the thermal action. In forming a ZnO film using DMZ in this embodiment, these effects can be used. Excimer laser (KrF,
(Wavelength: 248 nm) was used so that it was horizontal to the substrate and did not directly hit the surface. At this time, the DMZ or the like that has not completely decomposed in the plasma chamber 1 and arrives in the film formation chamber 2 while remaining slightly is decomposed by the high energy of photons.
At the same time, carbon can be prevented from being taken into the film. By doing so, the C axis of the ZnO film is oriented without any problem. As laser light in the visible or infrared region, for example, YA
G-laser light is directly applied to the substrate surface. As a result, the propagation loss of the surface wavelength was reduced from 10.5 dB / cm to 4 db / cm as compared with the case without laser beam irradiation. This is presumably because the laser light irradiation improved the flatness of the ZnO film surface. (Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, a gas having an oxidizing action or a gas having a reducing action is used in addition to using a gas of an organic metal containing Zn and a gas containing oxygen as raw materials. By introducing the ZnO film, a ZnO film having excellent crystallinity and a flat surface can be obtained as a result of an oxidizing action or a reducing action of these gases, or a combination thereof. Also, the resistance value,
The film properties such as piezoelectric characteristics and visible light transmittance are also improved, and can be effectively used for piezoelectric elements, optical coatings, and the like.
Furthermore, taking advantage of the high speed of film formation using a gas source,
A method for forming a ZnO film having excellent mass productivity can be provided, and its practical effect is great.

【図面の簡単な説明】 図は本発明の一実施例によるECRプラズマCVD装置の構成
を示す概略図である。 1…プラズマ室、2…成膜室、3…排気系、4…予備導
入口、5…発振器、6…コイル、7…基板、8…窓。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an ECR plasma CVD apparatus according to one embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma chamber, 2 ... Film formation chamber, 3 ... Exhaust system, 4 ... Preliminary inlet, 5 ... Oscillator, 6 ... Coil, 7 ... Substrate, 8 ... Window.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−116118(JP,A) 特開 昭62−60876(JP,A) 特開 昭61−28156(JP,A) 実開 昭59−209642(JP,U) 実開 昭61−179871(JP,U)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (56) References JP-A-60-116118 (JP, A)                 JP-A-62-60876 (JP, A)                 JP-A-61-28156 (JP, A)                 Shokai Sho 59-209642 (JP, U)                 Shokai 17-179871 (JP, U)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.Znを含む有機金属のガスと、酸素を含む気体とを原
料ガスとして真空槽内に導入し、プラズマ化して基板上
にZnO膜を形成する方法であって、 前記ZnO膜の形成中に、前記原料ガスとは別のもので、
前記ZnO膜の酸化促進、成膜中の中間生成物の低減を行
うための、酸化作用を有するガス、あるいはエッチング
反応による前記ZnO膜表面の平坦化を行うための、還元
作用を有するガスを前記真空槽内に導入することを特徴
とするZnO膜の形成方法。 2.ZnO膜の成膜に際し、レーザー光を被処理物表面に
照射することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
ZnO膜の形成方法。
(57) [Claims] A method of forming a ZnO film on a substrate by introducing a gas of an organic metal containing Zn and a gas containing oxygen into a vacuum chamber as a raw material gas and forming a plasma to form a ZnO film on the substrate, It is different from the source gas,
For promoting oxidation of the ZnO film, for reducing intermediate products during film formation, a gas having an oxidizing effect, or a gas having a reducing effect for flattening the surface of the ZnO film by an etching reaction, A method for forming a ZnO film, wherein the method is introduced into a vacuum chamber. 2. 2. The method according to claim 1, wherein a laser beam is applied to the surface of the object to be processed when the ZnO film is formed.
A method for forming a ZnO film.
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