JP5047087B2 - 成膜装置、成膜方法、圧電膜、および、液体吐出装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、近年、成膜速度を向上させつつ、膜質をさらに向上させることが求められている。
図1は、本発明の成膜方法を実施する成膜装置の一実施形態を概念的に示す概略構成図であり、図2は、図1に示す成膜装置のアノードを構成する板状部材を模式的に示す模式図である。
以下では、薄膜として圧電膜を成膜し、この薄膜を用いた薄膜デバイスとして圧電素子を製造する成膜装置を代表例として説明するが、本発明は、これに限定されないのはいうまでもない。
図1に示すように、本発明の成膜装置10は、ガス導入管12aおよびガス排出管12bを備える真空容器12と、この真空容器12の天井に配置され、かつ、スパッタリング用のターゲット材TGを保持し、カソードの役割を果たし、プラズマを発生させるターゲットホルダ14と、このターゲットホルダ14に接続され、ターゲットホルダ14に高周波を印加する高周波電源16と、真空容器12内の、ターゲットホルダ14と対向する位置に配置され、ターゲット材TGの成分による薄膜が成膜される基板SBを載置する載置台(基板ホルダ)18と、ターゲットホルダ14と載置台18との間に、成膜容器12内に生成するプラズマ中のイオンを補足するために、載置台18のターゲットホルダ14側の外周を取り囲むように設けられたアノード20とを有する。
真空容器12としては、スパッタ装置で利用される真空チャンバ、ベルジャー、真空槽などの種々の真空容器を用いることができる。
ガス導入管12aは、これらのガスの供給源(図示せず)に接続されている。
一方、ガス排出管12bは、真空容器12内を所定の真空度にすると共に、成膜中にこの所定の真空度に維持するために、真空容器12内のガスを排気するため、真空ポンプ等の排気手段に接続されている。
なお、高周波電源16がターゲットホルダ14に印加する高周波電力は、特に制限的ではなく、例えば13.65MHz、最大5kW、あるいは、最大1kWの高周波電力などを挙げることができるが、例えば50kHz〜2MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz、1kW〜10kWの高周波電力を用いるのが好ましい。
こうして生成されたプラスイオンは、ターゲットホルダ14に保持されたターゲット材TGをスパッタリングする。このようにして、プラスイオンにスパッタリングされたターゲット材TGの構成元素は、ターゲット材TGから放出され、中性あるいはイオン化された状態で、対向離間配置された載置台18に保持された基板SB上に蒸着される。
このようにして、真空容器12の内部のターゲットホルダ14と載置台18との間に、Arイオン等のプラスイオンやターゲット材TGの構成元素やそのイオンなどを含むプラズマ空間が形成される。
なお、載置台18は、図示しないが、基板SBの成膜中に、基板SBを所定温度に、加熱しかつ維持するためのヒータ(図示せず)を備えている。
また、載置台18に装着される基板SBのサイズは、特に制限的ではなく、通常の6インチサイズの基板であっても、5インチや、8インチのサイズの基板であってもよいし、5cm角のサイズの基板であってもよい。
なお、本実施形態においては、基板SBは電気的に絶縁され、かつ、所定の電圧が印加される。
なお、アノード22は、本実施形態においては、図1に示すように、接地されている。
他方、板状部材22a〜22cは、図2に示すように、円環状の板状部材であり、それぞれ、外径は等しく、内径のみが、順に小さくなるように構成されている。すなわち、板状部材22cの内径<板状部材22bの内径<板状部材22aの内径となっている。
本発明において、アノード22の板状部材22の離間距離(間隙距離)とは、載置台18表面と直交する方向に重なるように配置された複数の板状部材22のうち、互いに載置台18表面と直交する方向で隣接する(上下関係にある)板状部材22において、上側(ターゲット側)に位置する板状部材の下面と、下側(基板側)に位置する板状部材の上面との距離であり、すなわち、本実施形態であれば、板状部材22aの図中下面と板状部材22bの図中上面との距離、および、板状部材22bの図中下面と板状部材22cの図中下面との距離である。
さらに、本発明の成膜装置は、板状部材に膜が付着することにより、アノード面積が減少してプラズマ状態が変化することを抑制することができ、常に、良質の薄膜を形成することができる。
なお、上記板状部材22の中心から板状部材の22内側面までの最短距離とは、板状部材22が、例えば、円環状であれば、上述のように内径であり、長方形の環状であれば、長方形の中心から長方形の長辺の中心までの距離である。
なお、本発明において、ターゲット材TGには、特に限定はないが、絶縁体、圧電体、誘電体、または強誘電体が好ましく、特に、Pbを含む誘電体が好ましく用いられる。
上述した通り、アノード20を用いることにより、成膜時に、逆スパッタリングが行われることを抑制することができるため、成膜速度を向上させることができる。
そこで、本発明の成膜方法においては、上記構成を有するアノード20により、薄膜の成膜時に、成膜速度を調整(制御)および好適化する。
図3は、本発明に係る圧電素子の一実施形態を用いたインクジェットヘッドの一実施形態の要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。なお、視認しやすくするために、構成要素の縮尺は、実際のものとは適宜異ならせてある。
また、下部電極60は、基板58の略全面に形成されており、この上に図中手前側から奥側に延びるライン状の凸部62aがストライプ状に配列したパターンの圧電膜62が形成され、各凸部62aの上に上部電極64が形成されている。
圧電膜62のパターンは、図示するものに限定されず、適宜設計される。なお、圧電膜62は、連続膜でも構わないが、圧電膜62を、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部62aからなるパターンで形成することで、個々の凸部62aの伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。
上部電極64の主成分としては、特に制限的ではなく、下部電極60で例示した材料、Al,Ta,Cr,およびCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、およびこれらの組合せが挙げられる。
圧電膜62は、上述の本発明のスパッタ方法を適用する成膜方法により成膜された膜である。圧電膜62は、好ましくは、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜である。
下部電極60と上部電極64の厚みは、例えば200nm程度である。圧電膜62の膜厚は特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば1〜5μmである。
インクジェットヘッド50では、従来公知の駆動方法により、圧電素子52の凸部62aに印加する電界強度を凸部62a毎に増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室68からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
本発明のインクジェットヘッドは、基本的に以上のように構成されている。
図1に示す成膜装置10として、市販の成膜装置(Oerlikоn社製 CLN2000型)を用いた。
ターゲット材TGには、300mmφのPb1.3(Zr0.52Ti0.48)O3組成の焼結体を用いた。
基板SBには、予め、Siウエハ上に、Irを150nm形成した、基板サイズ6inchφの基板を用いた。
ターゲット材TGと基板SBとの間の距離は、50mmとした。
また、外径300mmφ、内径260mmφのステンレス鋼(SUS)製の板状部材22aが、最もターゲット材TG側に、外径300mmφ、内径220mmφのSUS製の板状部材22bが、板状部材22aの図中下側に、外径300mmφ、内径180mmφのステンレス鋼(SUS)製の板状部材22cが、最も基板SB側に位置する、アノード20を、基板SBのターゲット材TG側の外周を取り囲むように設けた。
このときに得られた膜の膜厚から、成膜レートを求めたところ、3回とも、約2500nm/hであった。この結果を、図8に黒丸(●)で表す。
なお、図8は、真空容器12内におけるターゲット材TGおよび基板SBの離間距離と成膜レートとの関係を表すグラフである。
なお、図9は、異なる成膜条件で成膜した膜の表面粗さを表すグラフである。また、図9に示す、白丸(○)は、PZT膜を成膜する前のウエハ、すなわち、Siウエハ上にIrを形成したウエハの表面粗さの平均値(約20Å)を表している。
ターゲット材TGと基板SBとの間の距離を、80mmとした以外は、全く同様にして、成膜を3回行った。
このときに得られた膜の成膜レートは、3回とも、約3500nm/hであった。この結果も、図8に黒丸(●)で表し、さらに、実施例1と同様にして、得られた膜の圧電定数を求めたので、この結果も、表1に記した。
また、リガク社製の蛍光X線分析装置ZSXPrimusを用いて、蛍光X線分光法(XRF)によって、得られた膜のPbのAサイト割合を測定すると、1.11であった。
ターゲット材TGと基板SBとの間の距離を、110mmとした以外は、実施例1と全く同様にして、成膜を3回行った。
このときに得られた膜の成膜レートは、3回とも、約2500nm/hであったので、図8に黒丸(●)で表し、さらに、実施例1と同様にして圧電定数を求め、結果を表1に記した。
実施例4は、実施例1の酸素流量の条件を、実施例1と比較して2倍にした以外は、実施例1と全く同様にして成膜を3回行った。
同様に、実施例5は、実施例1の温度の条件を、450℃にした以外は、実施例1と全く同様にして成膜を3回行った。
同様に、実施例6は、実施例1の成膜圧力の条件を、実施例1と比較して、2倍に変更以外は、実施例1と全く同様にして成膜を3回行った。
アノードを用いなかったこと以外は、実施例1と全く同様にして、3回成膜を行った。 このときに得られた薄膜の成膜レートは、3回とも、約500nm/hであったので、図8に白丸(○)で表し、さらに、実施例1と同様にして圧電定数を求め、結果を表1に記した。
また、このときに得られた膜の表面粗度を、実施例1と同様にして測定した。その結果、3回の成膜で得られた膜の平均表面粗度は、約155Åであった。この結果を図9に、黒三角(▲)で示す。
アノードを用いなかったこと以外は、実施例2と全く同様にして、3回成膜を行った。
このときに得られた膜の成膜レートは、3回とも、約1400nm/hであったので、図8に白丸(○)で表し、さらに、実施例1と同様にして圧電定数を求め、結果を表1に記した。
さらに、実施例2と同様にして、得られた膜の表面および断面を撮影した。得られた主な膜の表面のSEM写真を図7(a)に、断面のSEM写真を図7(b)に示す。
さらに、蛍光X線分光法(XRF)によって、得られた膜のPbのAサイト割合を測定すると、0.90であった。
アノードを用いなかったこと以外は、実施例3と全く同様にして、3回成膜を行った。 このときに成膜した薄膜の成膜レートは、3回とも、約600nm/hであったので、図8に白丸(○)で表し、さらに、実施例1と同様にして圧電定数を求め、結果を表1に記した。
比較例4は、比較例1と比較して、酸素流量を2倍にした以外は、比較例1と全く同様にして成膜を3回行った。
同様に、比較例5は、温度の条件を、450℃にした以外は、比較例1と全く同様にして成膜を3回行った。
同様に、比較例6は、比較例1の成膜圧力の条件を、比較例1と比較して、2倍に変更した以外は、比較例1と全く同様にして成膜を3回行った。
他方、比較例1〜3によって得られた膜は、剥離してしまった膜は勿論のこと、圧電定数が、通常の値より低いことから、圧電膜として十分な特性を備えていないことがわかる。これは、図7(a)および(b)に示すように、比較例1〜3で得た膜の表面および断面は、共に荒れていることから、結晶が一方向へ配向するのが妨げられて、圧電特性を低くしていると考えられる。
これは、浮遊電位に設定されている基板SBと比較して、設置電位であるため、プラズマ中におけるアノードの電位が低いアノードを設置することにより、逆スパッタリングに起因するプラスイオンが基板SBよりもアノードに衝突する確率が高くなるため、成膜中の逆スパッタリングを低減していると考えられる。
以上、本発明成膜装置、成膜方法、圧電膜、および、液体吐出装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
本発明の圧電膜は、圧電素子、圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ(FRAM)、および圧力センサ等に用いられる圧電膜等の成膜に適用することができる。
12 真空容器
12a ガス導入管
12b ガス排出管
14 ターゲットホルダ
16 高周波電源
18 載置台
20 アノード
22 板状部材
24 棒状体
50 インクジェットヘッド
52 圧電素子
54 インク貯留吐出部材
56 振動板
58 基板(支持基板)
60、64 電極
62 圧電膜
68 インク室
70 インク吐出口
SB 基板(成膜基板)
TG ターゲット材
Claims (13)
- ガスの導入と排気が可能な真空容器と、
前記真空容器内に配置され、かつ、成膜材料となるターゲットを保持するターゲットホルダと、
前記真空容器内に前記ターゲットホルダに対向して配置され、かつ、前記成膜材料の薄膜が形成される成膜用基板を保持する基板ホルダと、
前記ターゲットホルダと前記基板ホルダとの間に、前記プラズマ中のイオンを補足するために、前記基板ホルダの前記ターゲットホルダ側の外周を取り囲むように設けられたアノードとを有し、
前記アノードは、複数枚の板状部材を前記基板ホルダと直交する方向に互いに離間させて重ねたものであり、かつ、前記基板ホルダ側に位置する板状部材ほど、前記環状の中心から内側面までの最短距離が小さいものであり、
前記真空容器内に前記ガスを導入し、前記ターゲットホルダと基板ホルダとの間に、電圧をかけてプラズマを生成し、前記成膜用基板上に前記成膜材料の薄膜を形成することを特徴とする成膜装置。 - 前記板状部材は、環状であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記環状は、円環状であることを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。
- 前記アノードは、複数枚の前記板状部材を前記基板ホルダと直交する方向に互いに離間させて重ねたものであり、
隣接する前記板状部材は、互いに、1.0mm〜15.0mm離間させて配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の成膜装置。 - 前記アノードは、接地されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記アノードは、前記成膜用基板とは電気的に絶縁され、かつ、所定の電圧が印加されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の成膜装置。
- ターゲットと成膜用基板との間にプラズマを生成し、前記プラズマのイオンを前記ターゲットに衝突させて、前記成膜用基板上に前記ターゲットを成膜材料とする薄膜を形成する成膜方法であって、
前記ターゲットと前記成膜用基板との間に、前記プラズマ中のイオンを補足するために、前記基板ホルダの外周を取り囲むように、複数枚の板状部材を前記基板ホルダと直交する方向に互いに離間させて重ねたアノードを設け、
前記アノードにより、前記薄膜の形成時に、前記膜形成の成膜速度を制御し、
前記アノードは、前記基板ホルダ側に位置する板状部材ほど、前記環状の中心から内側面までの最短距離が小さいことを特徴とする成膜方法。 - 前記ターゲットは、絶縁体、圧電体、誘電体、または強誘電体であることを特徴とする請求項7に記載の成膜方法。
- 前記板状部材は、環状であることを特徴とする請求項7または8に記載の成膜方法。
- 前記環状は、円環状であることを特徴とする請求項9に記載の成膜方法。
- 前記アノードは、複数枚の前記板状部材を前記基板ホルダと直交する方向に互いに離間させて重ねたものであり、
隣接する前記板状部材は、互いに、1.0mm〜15.0mm離間させて配置されていることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の成膜方法。 - 前記アノードは、接地されていることを特徴とする請求項7〜11のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記アノードは、前記成膜用基板とは電気的に絶縁され、かつ、所定の電圧が印加されていることを特徴とする請求項7〜11のいずれかに記載の成膜方法。
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