JP5274753B2 - 含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｐｂを含有する結晶薄膜の形成方法に係り、特に、ＰＺＴ薄膜の形成方法に関する。

ＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛：ＰｂＺｒ_1-xＴｉ_xＯ₃)は、圧電素子に用いられる材料であり、ＰＺＴ薄膜は、バルクの状態よりも結晶の成長方向が揃い、分極方向にのみ結晶成長することから、バルクでは得られなかった高い圧電定数が得られることが期待されている。従って、ＰＺＴ薄膜を形成する際には、結晶方位の制御が重要となる。

図１の符号１０１は、ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜を形成するためスパッタリング装置を示しており、真空槽１１１内に、ＰＺＴやＰＬＺＴのターゲット１１２が配置されており、該ターゲット１１２と対向する位置に、ステージ１１３が配置されている。

ステージ１１３上には、基板１０５が配置されており、ステージ１１３の内部に配置されたヒータ１１４に通電し、基板１０５を５００℃程度に昇温させた状態で、ターゲット１１２をスパッタリングすると、基板１０５表面にＰＺＴ膜が形成される。符号１２１はバッキングプレート、符号１２５はシールドである。
しかし、基板１０５の周辺部分と中心部分とでは、形成されるＰＺＴ薄膜の膜質が異なり、中心位置は周辺位置よりも誘電率が低くなってしまう、という問題がある。

図３は円形の基板(ウェハ)１０５上に形成されたＰＺＴ薄膜のＸ線回折チャートであり、符号Ｌ₁は基板１０５の周辺部分、Ｌ₂は中間部分(中心と周辺の間)、Ｌ₃は中心部分のグラフである。
図３から、ＰＺＴ(１００)、(００１)のピーク強度は基板１０５内の位置に大きく依存することが分る。Peroはペロブスカイト、Pyroはパイロクロア、 Ptは下層の白金薄膜を表す。ここではＰＺＴ薄膜は白金薄膜上に形成されている。強誘電体の性質を示すのはペロブスカイト相であるが、中心部分と中間部分では、パイロクロア相の強度が大きくなってしまっている。

図６は、基板面内の位置とＰｂ濃度の関係を示すグラフであり、横軸は、中心をゼロとした距離、縦軸はその位置のＰｂ濃度である。中心付近では、周辺よりもＰｂ濃度が低く、これがパイロクロア相が出現する原因になっていると推測される。
ＰＺＴ薄膜を形成する技術は下記文献に記載されている。
特開平７−２３１０４５号公報 特開平１１−３４３５６９号公報 特開２００３−３２４１００号公報

本発明は、基板面内で誘電率が均一なＰＺＴ薄膜を形成できる技術を提供する。

本発明の発明者等は、基板の中心部分でＰｂの濃度が低い理由は、中心部分が予想より高温になっているからであると推測した。
その理由は、ヒータ１１４を発熱させて基板１０５を昇温させる場合に、真空槽１１１内にプラズマが形成されていない状態で、基板１０５の温度を、中止部分と周辺部分とで等しくなるようにヒータ１１４を設定してしまうと、基板への熱流入が、プラズマが生成前の状態と、生成後の状態とでは異なるから、プラズマを形成した状態では基板１０５表面に入射するプラズマによって中心温度が周辺温度よりも高くなり、融点が低いＰｂが、成長中のＰＺＴ薄膜から揮発してしまうからである。
従って、基板の面内の温度分布は、プラズマが形成された状態で均一な温度になるように加熱すべきである。

本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、スパッタリングターゲット上にプラズマを形成し、前記スパッタリングターゲットをスパッタリングし、昇温された基板表面に、Ｐｂと、Ｐｂよりも融点が高い元素を含む結晶薄膜を形成する含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法であって、前記プラズマが形成された状態で前記基板の面内の温度分布が均一になるように、前記プラズマが形成されていない状態では、前記基板の中心位置が、周辺位置の温度よりも１０℃以上５０℃以下の温度差だけ低温になるように、前記基板を加熱させながら前記スパッタリングターゲットをスパッタリングする含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法である。
また、本発明は、ステージ内に前記基板の中心位置と周辺位置とを異なる温度に昇温できるヒータを配置し、前記ヒータの発熱によって、前記温度差を形成する含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法である。
また、本発明は、前記スパッタリングターゲットにチタン酸ジルコン酸鉛を用い、前記基板上に前記含Ｐｂ結晶薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を形成する含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法である。

Ｐｂ含有率が基板面内で均一になり、比誘電率が高いＰＺＴ薄膜を得ることができる。

図２の符号１は、本発明方法に用いることができる一例の成膜装置を示している。
この成膜装置１は、上記従来技術の成膜装置１０１と同様に、真空槽１１を有しており、真空槽１１の内部には、ＰＺＴから成るスパッタリングターゲット１２が配置されている。スパッタリングターゲット１２と対向する位置には、ステージ１３が配置されている。
ステージ１３の内部には、ヒータ１４が配置されている。
ヒータ１４は、ステージ１３の中心部分に配置された発熱体１４ａと、周辺部に配置された発熱体１４ｂとを有している。

二種類の発熱体１４ａ、１４ｂへの通電量は、それぞれ別々に制御可能に構成されており、ステージ１３の中心部分と周辺部分を異なる温度に加熱できるように構成されている。

真空槽１１には、ガス導入系２２と真空排気系２３とが接続されており、真空排気系２３によって真空槽１１の内部を真空排気し、所定圧力に到達した後、真空槽１１内に成膜対象の基板を搬入し、ステージ１３上に配置する。

符号５は、ステージ１３上に配置された基板を示している。
基板５の裏面はステージ１３の表面に密着しており、発熱体１４ａ、１４ｂに通電して発熱させ、基板５を昇温させる。このとき、中心位置の発熱体１４ａの温度を、周辺位置の発熱体１４ｂの温度よりも低くし、ステージ１３から基板５へ流入する熱量が、基板５の周辺部分の方が、中心部分よりも多くなるようにする。
この状態でガス導入系２２から真空槽１１内にスパッタリングガスを導入し、スパッタリングターゲット１２に高周波電圧を印加する。

符号２５は、スパッタリングターゲット１２とステージ１３の間の空間を取囲むシールドであり、符号２１はスパッタリングターゲット１２が配置されたバッキングプレートである。
バッキングプレート２１の内部には、磁石２７が配置されており、基板５の表面に磁界が形成されるように構成されている。
これにより、スパッタリングターゲット１２の表面付近に強いプラズマが形成され、スパッタリングターゲット１２がスパッタリングされる。

この成膜装置１では、ステージ１３の周囲は、ステージよりも低いアノード２６によって取り囲まれている。
ステージ１３は浮遊電位に置かれ、シールド２５とアノード２６は、真空槽１１と共に接地電位に置かれている。

真空槽１１のスパッタリングターゲット１２と基板５の間の空間であって、シールド２５で取り囲まれた空間にプラズマが形成されると、そのプラズマから基板５に流入する熱量は、周辺よりも中心部分の方が多くなる。

発熱体１４ａ、１４ｂから流入する熱量の多寡はその逆なので、プラズマが形成された状態では、基板５の温度は中心部と周辺部とで略等しくなり、その結果、中心部分のＰｂの抜けが少なく、基板表面の全体に比誘電率の高いＰＺＴ薄膜を形成することができる。

中心部の温度と周辺部の温度の温度差を変え、スパッタリングターゲット１２をスパッタリングし、ＰＺＴ薄膜を形成した。プラズマを形成しない状態での中心部の温度は５５０℃に設定し、周辺部の温度を５００〜５５０℃(中心部と周辺部の温度差は、１０、２０、３０、４０、５０℃の１０℃刻み)にした。ステージ１３及び基板５は浮遊電位に置き、スパッタリングターゲット１２には交流電圧を印加してスパッタリングした。アノード２６、シールド２５、真空槽１１は接地電位に接続した。

得られたＰＺＴ薄膜の特性を測定した。Ｐｂ含有率の測定結果を表１及び図４に示し、比誘電率の測定結果を表２及び図５に示す。半径約６０ｍｍの円形の基板５に対し、“中心”は基板５の中心位置であり、“周辺”は中心から５５ｍｍの位置であり、“中間”は、中心と周辺の間の位置であって、ここでは中心から３０ｍｍの位置である。

下記表１、図４から分かるように、Ｐｂ組成比は中心の温度を１０℃低下させるだけで、中心と周辺とが同じ温度のときに比べて大幅に改善されている。

下記表２、図５から分かるように、比誘電率についても同じであり、中心を１０℃低下させるとよいが、特に、比誘電率は１０００以上の値を求められていることから、望ましくは中心と周辺の温度差を２０℃以上にするとよい。
温度差を５０℃よりも大きくすると、中心の比誘電率がかえって低下してしまう。

なお、上記は抵抗加熱ヒータによって基板を加熱したが、ステージ内に液体の熱媒体を循環させてもよいし、赤外線ランプによって基板を加熱してもよい。
また、上記実施例ではＰＺＴ薄膜について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、ＰＬＺＴ(ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ_1-yＬａ_yＺｒ_1-xＴｉ_xＯ₃)等、Ｐｂと、Ｐｂよりも融点が高い元素を含む結晶薄膜に広く適用することができる。

従来技術の成膜装置 本発明に用いることができる成膜装置の一例 従来技術で成膜したＰＺＴ薄膜のＸ線回折チャート 本発明で形成したＰＺＴ薄膜のＰｂ含有率の分布 本発明で形成したＰＺＴ薄膜の比誘電率の分布 従来技術の場合の基板面内の位置とＰｂ濃度の関係を示すグラフ

符号の説明

５……基板
１２……スパッタリングターゲット
１３……ステージ
１４ａ、１４ｂ……発熱体

Claims (3)

1. スパッタリングターゲット上にプラズマを形成し、前記スパッタリングターゲットをスパッタリングし、昇温された基板表面に、Ｐｂと、Ｐｂよりも融点が高い元素を含む結晶薄膜を形成する含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法であって、
   前記プラズマが形成された状態で前記基板の面内の温度分布が均一になるように、前記プラズマが形成されていない状態では、前記基板の中心位置が、周辺位置の温度よりも１０℃以上５０℃以下の温度差だけ低温になるように、前記基板を加熱させながら前記スパッタリングターゲットをスパッタリングする含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法。
2. ステージ内に前記基板の中心位置と周辺位置とを異なる温度に昇温できるヒータを配置し、前記ヒータの発熱によって、前記温度差を形成する請求項１記載の含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法。
3. 前記スパッタリングターゲットにチタン酸ジルコン酸鉛を用い、前記基板上に前記含Ｐｂ結晶薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛薄膜を形成する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の含Ｐｂ結晶薄膜の形成方法。

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