JP5636433B2 - 誘電体薄膜の成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体薄膜の成膜方法に関する。
現在、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＰＺＴ）等の強誘電体を用いた圧電素子は、インクジェットヘッドや加速度センサ等のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術に応用されている。
図４は（１００）／（００１）配向のＰＺＴ薄膜と、（１１１）配向のＰＺＴ薄膜の圧電特性を示すグラフである。（１００）／（００１）配向のＰＺＴ薄膜は、（１１１）配向のＰＺＴ薄膜よりも大きい圧電特性を示すことが知られている。
図４は（１００）／（００１）配向のＰＺＴ薄膜と、（１１１）配向のＰＺＴ薄膜の圧電特性を示すグラフである。（１００）／（００１）配向のＰＺＴ薄膜は、（１１１）配向のＰＺＴ薄膜よりも大きい圧電特性を示すことが知られている。
従来の誘電体薄膜の成膜方法を説明する。
圧電素子を形成する場合、成膜すべき基板には、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、密着層であるＴｉ薄膜と、下部電極層である貴金属の薄膜とがこの順にあらかじめ積層されたものを使用する。貴金属の薄膜はＰｔ又はＩｒの薄膜であり、（１１１）面に優先配向している。
圧電素子を形成する場合、成膜すべき基板には、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、密着層であるＴｉ薄膜と、下部電極層である貴金属の薄膜とがこの順にあらかじめ積層されたものを使用する。貴金属の薄膜はＰｔ又はＩｒの薄膜であり、（１１１）面に優先配向している。
図５は基板を加熱する発熱部材の温度変化を示している。
真空排気された真空槽内で発熱部材をここでは６４０℃に昇温保持させ、基板をＰＺＴ薄膜の形成に適した成膜温度にする。
真空排気された真空槽内で発熱部材をここでは６４０℃に昇温保持させ、基板をＰＺＴ薄膜の形成に適した成膜温度にする。
真空槽内にスパッタガスを導入し、ターゲットに交流電圧を印加すると、導入されたスパッタガスは電離され、プラズマ化する。プラズマ中のイオンはターゲットの表面をスパッタし、ターゲットからＰＺＴの粒子が放出される。
ターゲットから放出されたＰＺＴの粒子の一部は加熱された基板の表面に入射し、基板の貴金属の薄膜上にＰＺＴの薄膜が形成される。
所定の膜厚のＰＺＴの薄膜を形成した後、ターゲットへの電圧印加を停止し、スパッタガスの導入を停止する。発熱部材を４００℃に降温保持して、基板を冷却する。
図６は従来の誘電体薄膜の成膜方法でＰｔ薄膜上に形成したＰＺＴ薄膜の中央部（Ｃｅｎｔｅｒ）と、外縁部（Ｅｄｇｅ）と、中央部と外縁部との間の中間部（Ｍｉｄｄｌｅ）の３箇所のＸ線回折パターンを示している。形成されるＰＺＴの薄膜は（１１１）方向に優先配向していることが分かる。
すなわち、従来の誘電体薄膜の成膜方法では、（１００）／（００１）配向したＰＺＴ薄膜を形成することが困難であるという問題があった。
すなわち、従来の誘電体薄膜の成膜方法では、（１００）／（００１）配向したＰＺＴ薄膜を形成することが困難であるという問題があった。
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、（１００）／（００１）配向したＰＺＴの薄膜を形成できる誘電体薄膜の成膜方法を提供することにある。
本発明者らは、従来の成膜方法では、ＰＺＴ薄膜の成膜初期において、Ｐｂが貴金属の薄膜方向へ拡散したり、再蒸発する影響で、ＰＺＴ薄膜にＰｂ欠損が生じてＴｉＯ2が形成され、ＴｉＯ2／貴金属の薄膜上に形成されるＰＺＴ薄膜が（１１１）方向に優先配向していたと推測し、貴金属の薄膜上にＰｂＯのシード層を予め形成することにより上記目的を達成できることを見出した。
係る知見に基づいて成された本発明は、真空排気された真空槽内で基板を加熱しながら、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のターゲットに電圧を印加してスパッタし、前記基板の表面にＰＺＴの薄膜を成膜する成膜工程を有する誘電体薄膜の成膜方法であって、前記成膜工程の前に、前記基板の表面にＰｂＯのガスを付着させてＰｂＯのシード層を形成するシード層形成工程を有し、前記成膜工程では、前記シード層に、スパッタされたＰＺＴの粒子を入射させ、前記ＰＺＴの薄膜を前記シード層上に形成し、前記シード層形成工程では、前記真空槽内で化学構造中にＰｂとＯとを含有する放出源を加熱して、前記放出源からＰｂＯのガスを放出させる誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源からＰｂＯのガスを放出させながら、前記真空槽内にＰｂＯと反応しない不活性ガスを導入する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも高い温度に加熱する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも５０℃以上高い温度に加熱する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記基板は、表面に（１１１）面に優先配向したＰｔ又はＩｒのうちいずれか一方の貴金属の薄膜を有する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源からＰｂＯのガスを放出させながら、前記真空槽内にＰｂＯと反応しない不活性ガスを導入する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも高い温度に加熱する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも５０℃以上高い温度に加熱する誘電体薄膜の成膜方法である。
本発明は誘電体薄膜の成膜方法であって、前記基板は、表面に（１１１）面に優先配向したＰｔ又はＩｒのうちいずれか一方の貴金属の薄膜を有する誘電体薄膜の成膜方法である。
（１１１）配向したＰｔ又はＩｒの薄膜上に（１００）／（００１）配向したＰＺＴ薄膜を成膜できるので、従来よりも圧電特性の大きい圧電素子を得ることができる。
＜誘電体成膜装置の構造＞
本発明の誘電体薄膜の成膜方法で使用する誘電体成膜装置の構造を説明する。
図１は誘電体成膜装置１０の内部構成図である。
本発明の誘電体薄膜の成膜方法で使用する誘電体成膜装置の構造を説明する。
図１は誘電体成膜装置１０の内部構成図である。
誘電体成膜装置１０は、真空槽１１と、真空槽１１内に配置されたＰＺＴのターゲット２１と、ターゲット２１と対面する位置に配置され、基板３１を保持する基板保持台３２と、基板保持台３２に保持された基板３１を加熱する基板加熱部１８と、ターゲット２１に電圧を印加するスパッタ電源１３と、真空槽１１内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入部１４と、真空槽１１内で、ターゲット２１から放出されたＰＺＴの粒子が付着する位置に配置された第一、第二の防着板３４、３５とを有している。
真空槽１１の壁面には、カソード電極２２が絶縁部材２８を介して取り付けられ、カソード電極２２と真空槽１１とは電気的に絶縁されている。真空槽１１は接地電位におかれている。
カソード電極２２の表面は真空槽１１内に露出されている。ターゲット２１はカソード電極２２の表面の中央部に密着して固定され、ターゲット２１とカソード電極２２とは電気的に接続されている。
カソード電極２２の表面は真空槽１１内に露出されている。ターゲット２１はカソード電極２２の表面の中央部に密着して固定され、ターゲット２１とカソード電極２２とは電気的に接続されている。
スパッタ電源１３は真空槽１１の外側に配置され、カソード電極２２に電気的に接続され、カソード電極２２を介してターゲット２１に交流電圧を印加できるように構成されている。
カソード電極２２のターゲット２１とは反対側には磁石装置２９が配置されている。磁石装置２９はターゲット２１の表面に磁力線を形成するように構成されている。
カソード電極２２のターゲット２１とは反対側には磁石装置２９が配置されている。磁石装置２９はターゲット２１の表面に磁力線を形成するように構成されている。
基板保持台３２はここでは炭化ケイ素（ＳｉＣ）であり、外周は基板３１の外周よりも大きく形成され、表面はターゲット２１の表面と対面するように向けられている。基板保持台３２の表面の中央部は基板３１を静電吸着して保持できるように構成されている。
基板保持台３２の表面の中央部に基板３１を静電吸着させると、基板３１の裏面は基板保持台３２の表面の中央部に密着され、基板３１は基板保持台３２と熱的に接続されるようになっている。
第一の防着板３４は、石英、アルミナ等のセラミックスであり、内周が基板３１の外周よりも大きい環状にされ、基板保持台３２の表面の中央部の外側である外縁部を覆うように配置されている。そのため、ターゲット２１から放出された粒子は基板保持台３２の表面の外縁部に付着しないようになっている。
第一の防着板３４の裏面は基板保持台３２の表面の外縁部に密着され、第一の防着板３４は基板保持台３２と熱的に接続されている。
基板保持台３２の表面の中央部に基板３１を載置させると、第一の防着板３４は基板３１の外周より外側を取り囲むようになっている。
基板保持台３２の表面の中央部に基板３１を載置させると、第一の防着板３４は基板３１の外周より外側を取り囲むようになっている。
第二の防着板３５は、石英、アルミナ等のセラミックスであり、内周がターゲット２１の外周や基板３１の外周よりも大きい筒状にされている。第二の防着板３５は、基板保持台３２とカソード電極２２との間に配置され、基板３１とターゲット２１との間の空間の側方を取り囲むようになっている。そのため、ターゲット２１から放出された粒子は真空槽１１の壁面に付着しないようにされている。
基板加熱部１８は、発熱部材３３と加熱用電源１７とを有している。
発熱部材３３はここではＳｉＣであり、基板保持台３２の基板３１とは反対側に配置され、加熱用電源１７は発熱部材３３に電気的に接続されている。加熱用電源１７から発熱部材３３に直流電流が流されると、発熱部材３３は発熱して、基板保持台３２が加熱され、基板保持台３２上の基板３１と第一の防着板３４とが一緒に加熱されるようになっている。
発熱部材３３はここではＳｉＣであり、基板保持台３２の基板３１とは反対側に配置され、加熱用電源１７は発熱部材３３に電気的に接続されている。加熱用電源１７から発熱部材３３に直流電流が流されると、発熱部材３３は発熱して、基板保持台３２が加熱され、基板保持台３２上の基板３１と第一の防着板３４とが一緒に加熱されるようになっている。
基板３１の裏面は基板保持台３２の表面の中央部に密着され、基板３１の中央部から外縁部まで均等に伝熱されるようになっている。
発熱部材３３の基板保持台３２とは反対側には冷却装置３８が配置されている。冷却装置３８は内部に温度管理された冷却媒体を循環できるように構成され、発熱部材３３が発熱しても真空槽１１の壁面が加熱されないようになっている。
発熱部材３３の基板保持台３２とは反対側には冷却装置３８が配置されている。冷却装置３８は内部に温度管理された冷却媒体を循環できるように構成され、発熱部材３３が発熱しても真空槽１１の壁面が加熱されないようになっている。
スパッタガス導入部１４は真空槽１１内に接続され、真空槽１１内にスパッタガスを導入できるようにされている。
＜誘電体薄膜の成膜方法＞
本発明である誘電体薄膜の成膜方法を説明する。
本発明である誘電体薄膜の成膜方法を説明する。
成膜すべき基板３１には、ここではＳｉ基板の熱酸化膜（ＳｉＯ2）上に、密着層であるＴｉ薄膜と、下部電極層である貴金属の薄膜とがこの順にあらかじめ積層されたものを使用する。貴金属の薄膜はＰｔ又はＩｒの薄膜であり、（１１１）面に優先配向している。
ＰＺＴ薄膜の成膜に適した基板３１の温度（以下成膜温度と呼ぶ）を試験やシミュレーションにより予め求めておく。
まず、準備工程として、真空槽１１内に真空排気装置１５を接続して、真空槽１１内を真空排気する。以後、真空排気を継続して真空槽１１内の真空雰囲気を維持する。
まず、準備工程として、真空槽１１内に真空排気装置１５を接続して、真空槽１１内を真空排気する。以後、真空排気を継続して真空槽１１内の真空雰囲気を維持する。
ここでは、真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら、成膜すべき基板３１とは異なるダミー基板を真空槽１１内に搬入して、基板保持台３２の表面の中央部に載置し、ターゲット２１のスパッタを行って、第一の防着板３４の表面に、あらかじめＰＺＴの薄膜を付着させる。次いで、真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながらダミー基板を真空槽１１の外側に搬出する。
本発明は、化学構造中に鉛（Ｐｂ）と酸素（Ｏ）とを含有する金属化合物（以下、放出源と呼ぶ）を第一の防着板３４の表面に付着できるならば、真空槽１１内でダミー基板を使ってスパッタを行う方法に限定されず、別の成膜装置であらかじめＰＺＴやＰｂＯ等の化学構造中にＰｂとＯとを含有する金属化合物を付着させた第一の防着板３４を真空槽１１内に搬入して使用してもよい。
真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら、真空槽１１内に成膜すべき基板３１を搬入し、基板３１表面の貴金属の薄膜がターゲット２１の表面と対面する向きで、基板保持台３２の表面の中央部に基板３１を保持させる。
冷却装置３８に温度管理された冷却媒体を循環させておく。
冷却装置３８に温度管理された冷却媒体を循環させておく。
図２は以下のシード層形成工程と成膜工程での発熱部材３３の温度変化を示している。
シード層形成工程として、スパッタガス導入部１４から真空槽１１内にＰｂＯとは反応しない不活性ガスを導入する。ここでは不活性ガスにスパッタガスであるＡｒガスを用いる。以後、不活性ガスの導入を継続する。
シード層形成工程として、スパッタガス導入部１４から真空槽１１内にＰｂＯとは反応しない不活性ガスを導入する。ここでは不活性ガスにスパッタガスであるＡｒガスを用いる。以後、不活性ガスの導入を継続する。
真空槽１１内で化学構造中にＰｂとＯとを含有する放出源を加熱して、放出源からＰｂＯのガスを放出させる。
ここでは、加熱用電源１７から発熱部材３３に直流電流を流して、発熱部材３３を加熱し、第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜を、予め求めた成膜温度よりも高温にする。第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜からＰｂＯのガスが放出される。
ここでは、加熱用電源１７から発熱部材３３に直流電流を流して、発熱部材３３を加熱し、第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜を、予め求めた成膜温度よりも高温にする。第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜からＰｂＯのガスが放出される。
第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜を、予め求めた成膜温度よりも５０℃以上高温にするのが好ましい。なぜなら、ＰｂＯのガスがより多く放出されるからである。ここでは発熱部材３３を７８５℃に昇温させ、その温度を保持させる。
基板３１表面の貴金属の薄膜上に付着し、基板３１表面の貴金属の薄膜上にＰｂＯのシード層が形成される。
発熱部材３３を冷却し、基板３１を成膜温度にする。ここでは発熱部材３３を６４０℃に冷却し、その温度を保持させる。
発熱部材３３を冷却し、基板３１を成膜温度にする。ここでは発熱部材３３を６４０℃に冷却し、その温度を保持させる。
次いで、成膜工程として、基板３１を成膜温度に保持しながら、スパッタガス導入部１４から真空槽１１内にスパッタガスであるＡｒガスを導入させ、スパッタ電源１３からカソード電極２２に交流電圧を印加させると、導入されたスパッタガスが電離され、プラズマ化する。プラズマ中のイオンは磁石装置２９が形成する磁力線に捕捉されてターゲット２１の表面に入射し、ターゲット２１からＰＺＴの粒子を弾き飛ばす。
ターゲット２１から放出されたＰＺＴの粒子の一部は基板３１の表面に入射する。基板３１表面の貴金属の薄膜上にはＰｂＯのシード層が予め形成されているため、シード層からＰｂとＯとが供給されてＰＺＴ薄膜にＰｂ欠損は生じず、シード層上に（００１）／（１００）配向したＰＺＴ膜が形成される。
図３は本発明の成膜方法でＰｔ薄膜上に形成したＰＺＴ薄膜の中央部（Ｃｅｎｔｅｒ）と、外縁部（Ｅｄｇｅ）と、中央部と外縁部との間の中間部（Ｍｉｄｄｌｅ）の３箇所のＸ線回折パターンを示している。
図３のＸ線回折パターンから、（１００）／（００１）方向に優先配向したＰＺＴ薄膜が形成されたことが分かる。
図３のＸ線回折パターンから、（１００）／（００１）方向に優先配向したＰＺＴ薄膜が形成されたことが分かる。
ターゲット２１から放出されたＰＺＴの粒子の一部は第一の防着板３４の表面に付着し、次回のシード層形成工程におけるＰｂＯのガスの放出源になる。
基板３１上に所定の膜厚のＰＺＴ薄膜を成膜した後、スパッタ電源１３からカソード電極２２への電圧印加を停止し、スパッタガス導入部１４から真空槽１１内へのスパッタガスの導入を停止する。
基板３１上に所定の膜厚のＰＺＴ薄膜を成膜した後、スパッタ電源１３からカソード電極２２への電圧印加を停止し、スパッタガス導入部１４から真空槽１１内へのスパッタガスの導入を停止する。
加熱用電源１７から発熱部材３３への電流の供給を停止して、発熱部材３３を冷却し、基板３１を成膜温度よりも低い温度にする。基板３１を搬送ロボットで搬送させるためである。ここでは発熱部材３３を４００℃に降温させ、その温度を保持させる。
真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら成膜済みの基板３１を真空槽１１の外側に搬出し、次いで別の未成膜の基板３１を真空槽１１内に搬入し、上述のシード層形成工程と成膜工程とを繰り返す。
本発明のシード層形成工程では、真空槽１１内で化学構造中にＰｂとＯとを含有する放出源を加熱して、放出源からＰｂＯのガスを放出させることができるならば、第一の防着板３４に付着したＰＺＴの薄膜を加熱する方法に限定されず、第二の防着板３５の外周側面に発熱部材を配置して、第二の防着板３５の内周側面に付着したＰＺＴの薄膜を加熱し、ＰｂＯのガスを放出させてもよい。この場合には、放出されたＰｂＯのガスは不活性ガスと衝突しなくても、基板３１表面に入射するので、不活性ガスの導入を省略できる。
真空槽１１内に第一の防着板３４とは別にるつぼ（不図示）を配置し、るつぼ内にＰＺＴやＰｂＯ等の放出源を入れておき、るつぼ内の放出源を加熱してＰｂＯのガスを放出させてもよい。るつぼの開口を、放出されたＰｂＯのガスが基板３１表面に入射するような向きに向けておけば、不活性ガスの導入を省略できる。
本発明のシード層形成工程では、基板３１の表面にＰｂＯのガスを付着させることができるならば、真空槽１１内で化学構造中にＰｂとＯとを含有する放出源を加熱して、放出源からＰｂＯのガスを放出させる方法に限定されず、真空槽１１の外側に配置され、ＰｂＯのガスを放出するＰｂＯガス放出部（不図示）を真空槽１１内に接続し、ＰｂＯガス放出部から真空槽１１内にＰｂＯのガスを導入して、基板３１の表面にＰｂＯのガスを付着させる方法も含まれる。
第一、第二の防着板３４、３５を用いる方法のように、加熱される放出源がターゲット２１から放出されたＰＺＴの粒子が付着する位置に配置されている場合には、成膜工程中にＰＺＴの粒子が放出源に付着し、すなわち放出源が補充されるので、ＰｂＯガス放出部を用いる方法に比べて、成膜材料の使用効率が良く好ましい。
１１……真空槽
２１……ターゲット
３１……基板
２１……ターゲット
３１……基板
Claims (5)
- 真空排気された真空槽内で基板を加熱しながら、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のターゲットに電圧を印加してスパッタし、前記基板の表面にＰＺＴの薄膜を成膜する成膜工程を有する誘電体薄膜の成膜方法であって、
前記成膜工程の前に、前記基板の表面にＰｂＯのガスを付着させてＰｂＯのシード層を形成するシード層形成工程を有し、前記成膜工程では、前記シード層に、スパッタされたＰＺＴの粒子を入射させ、前記ＰＺＴの薄膜を前記シード層上に形成し、
前記シード層形成工程では、前記真空槽内で化学構造中にＰｂとＯとを含有する放出源を加熱して、前記放出源からＰｂＯのガスを放出させる誘電体薄膜の成膜方法。 - 前記シード層形成工程では、前記放出源からＰｂＯのガスを放出させながら、前記真空槽内にＰｂＯと反応しない不活性ガスを導入する請求項１記載の誘電体薄膜の成膜方法。
- 前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも高い温度に加熱する請求項２記載の誘電体薄膜の成膜方法。
- 前記シード層形成工程では、前記放出源を前記成膜工程での前記基板の温度よりも５０℃以上高い温度に加熱する請求項３記載の誘電体薄膜の成膜方法。
- 前記基板は、表面に（１１１）面に優先配向したＰｔ又はＩｒのうちいずれか一方の貴金属の薄膜を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の誘電体薄膜の成膜方法。
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