JP6032597B2 - Functionally graded film and method for manufacturing the same - Google Patents

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

本発明は、傾斜機能膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a functionally graded film and a method for manufacturing the same.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いた、透過性のある薄膜トランジスタの開発研究が行われている。薄膜トランジスタはICや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、液晶テレビ又は有機ELテレビなどの画像表示装置のスイッチング素子として注目されている。たとえば、薄膜トランジスタのゲート電極上の絶縁膜として、イットリア安定化ジルコニア薄膜を成膜する方法が提案されている(特許文献1参照)。   Research and development of a transmissive thin film transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has been conducted. Thin film transistors are widely applied to electronic devices such as ICs and electro-optical devices, and are attracting attention as switching elements for image display devices such as liquid crystal televisions and organic EL televisions. For example, a method of forming an yttria-stabilized zirconia thin film as an insulating film on the gate electrode of a thin film transistor has been proposed (see Patent Document 1).

特開2009−170896号公報JP 2009-170896 A

しかし、結晶性の高い絶縁膜の成膜方法として採用されている、プラズマCVD法、スパッタ法、MBE法、PLD法及びアトミックレイヤーエピタキシー法などの方法を実施するための装置は非常に高価である。また、成膜室の高い真空度の達成が必要であるなど成膜の準備も複雑である。   However, an apparatus for performing a method such as a plasma CVD method, a sputtering method, an MBE method, a PLD method, or an atomic layer epitaxy method, which is employed as a method for forming a highly crystalline insulating film, is very expensive. . In addition, preparation for film formation is complicated, for example, it is necessary to achieve a high degree of vacuum in the film formation chamber.

そこで、本発明は、簡易かつ低廉な手法により電気特性が膜厚方向について変化する傾斜機能膜及びその製造方法を提供することを解決課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a functionally graded film in which electrical characteristics change in the film thickness direction by a simple and inexpensive method and a manufacturing method thereof.

本発明者は、シリカ(SiO2)薄膜の透明度は高いものの誘電率は低いこと、及び、チタニア(TiO2)薄膜は化学的に安定で誘電率は高いもののリーク電流が大きいことを考慮して、誘電率が高く、リーク電流が小さく、かつ、化学的に安定なジルコニア(ZrO2)薄膜の成膜を試みた。また、低廉かつ簡易な成膜方法としてスプレー熱分解(SPD(Spray Pyrolysis Deposition))法を用いることを考えた。 The present inventor considered that the silica (SiO 2 ) thin film has high transparency but low dielectric constant, and that the titania (TiO 2 ) thin film is chemically stable and has high dielectric constant but high leakage current. An attempt was made to form a zirconia (ZrO 2 ) thin film that has a high dielectric constant, a small leakage current, and is chemically stable. We also considered using the spray pyrolysis (SPD) method as an inexpensive and simple film formation method.

しかし、ジルコニア無機塩を溶質とし、溶媒としてのアルコールにほとんど溶けないため、原料溶液の調製が非常に困難であった。   However, since a zirconia inorganic salt is used as a solute and hardly dissolved in alcohol as a solvent, it is very difficult to prepare a raw material solution.

本発明者は、ケトン類化合物を第1助剤として溶液に添加することにより、ジルコニア無機塩をアルコールに溶かすことができることを知見した。そのほか、本発明者は、ケトン類化合物の沸点が高い場合、これを気化させることが困難であること、燃焼反応が生じた際にケトン類化合物を構成する炭素が雰囲気の酸素と化合することによって雰囲気の酸素が減少してしまい、薄膜における酸素欠陥を誘発すること、ケトン類化合物が高価であること、及び、ケトン類化合物の添加量によっては、原料溶液のミスト化が困難になる程度に原料溶液の粘度が高くなることなどを勘案して、第1助剤の添加量の調節が重要であることを知見した。   The present inventor has found that a zirconia inorganic salt can be dissolved in an alcohol by adding a ketone compound as a first auxiliary agent to the solution. In addition, when the boiling point of the ketone compound is high, the present inventor has difficulty in vaporizing the ketone compound, and the carbon constituting the ketone compound combines with oxygen in the atmosphere when a combustion reaction occurs. Depending on the amount of oxygen in the atmosphere, oxygen defects in the thin film are induced, ketone compounds are expensive, and depending on the amount of ketone compounds added, it is difficult to mist the raw material solution. In view of the fact that the viscosity of the solution is increased, it has been found that it is important to adjust the amount of the first auxiliary agent added.

さらに、本発明者は、基板に対して原料溶液のミストを供給し、雰囲気温度の制御により前記溶媒を蒸発させるとともに溶質を構成するジルコニウムを酸化させるというプロセスを繰り返すことにより、基板の上にジルコニア薄膜を成膜することができることに加え、成膜時の当該雰囲気の温度に応じてジルコニア薄膜の電気伝導度等の電気特性が相違することを知見した。   Furthermore, the present inventor repeats the process of supplying the mist of the raw material solution to the substrate, evaporating the solvent by controlling the atmospheric temperature, and oxidizing the zirconium constituting the solute, whereby the zirconia is formed on the substrate. In addition to being able to form a thin film, it has been found that the electrical characteristics such as the electrical conductivity of the zirconia thin film differ depending on the temperature of the atmosphere at the time of film formation.

当該知見に基づく本発明の方法は、電気特性が膜厚方向について変化する傾斜機能膜を製造する方法であって、ジルコニウム無機塩を溶質とし、アルコールを溶媒とし、ケトン類化合物を第1助剤とし、前記第1助剤の濃度が調節されている原料溶液を調整し、基板に対して前記原料溶液のミストを供給し、雰囲気の加熱により前記溶媒を蒸発させるとともに前記溶質を構成するジルコニウムを酸化させるというプロセスを繰り返す過程で、前記雰囲気の温度を400〜600℃の温度範囲で高温から低温まで断続的に変化させ、前記基板の上に電気特性が異なる複数の機能層を順に積層させることにより前記傾斜機能膜を製造することを特徴とする。 The method of the present invention based on this knowledge is a method for producing a functionally gradient film in which electrical characteristics change in the film thickness direction, using zirconium inorganic salt as a solute, alcohol as a solvent, and a ketone compound as a first auxiliary agent. And adjusting the raw material solution in which the concentration of the first auxiliary agent is adjusted, supplying the mist of the raw material solution to the substrate, evaporating the solvent by heating the atmosphere, and forming zirconium that constitutes the solute In the process of repeating the process of oxidizing, the temperature of the atmosphere is intermittently changed from a high temperature to a low temperature in a temperature range of 400 to 600 ° C., and a plurality of functional layers having different electrical characteristics are sequentially stacked on the substrate. The functionally gradient film is manufactured by the following.

さらに、本発明者は、金属化合物を第2助剤として溶液に添加し、第2助剤の添加量を調節することにより酸化膜としてのジルコニア薄膜の電気特性を調節することができることを知見した。これは、金属化合物がドーパントとして機能し、酸化膜における結晶化度、バンド構造又はジルコニア由来の電子などのキャリアの濃度及び移動度のうち少なくとも一方を変化させるためであると推察される。   Furthermore, the present inventor has found that the electrical characteristics of the zirconia thin film as an oxide film can be adjusted by adding a metal compound as a second auxiliary agent to the solution and adjusting the amount of the second auxiliary agent added. . This is presumably because the metal compound functions as a dopant and changes at least one of the crystallinity in the oxide film, the band structure, or the concentration and mobility of carriers such as electrons derived from zirconia.

当該知見に基づき、金属化合物を第2助剤とし、前記第2助剤の濃度が異なる複数種類の前記原料溶液を準備し、前記プロセスを繰り返す過程で、前記雰囲気の温度に加えて、前記ミストを構成する前記原料溶液の種類を変化させることにより、前記基板の上に前記傾斜機能膜を製造することが好ましい。   Based on this knowledge, a plurality of types of raw material solutions having different concentrations of the second auxiliary agent are prepared using a metal compound as a second auxiliary agent, and in the process of repeating the process, in addition to the temperature of the atmosphere, the mist It is preferable to manufacture the functionally gradient film on the substrate by changing the type of the raw material solution that constitutes the substrate.

前記プロセスを繰り返している途中又は後で、前記傾斜機能膜を酸素雰囲気下で熱処理することが好ましい。   It is preferable that the functionally gradient film is heat-treated in an oxygen atmosphere during or after the process is repeated.

当該方法によれば、酸化雰囲気(又は酸素雰囲気)の実現という簡易な手法により、傾斜機能膜の少なくとも一部の層における酸素欠陥量を少なく抑制することができ、その結果、当該酸素欠陥によって傾斜機能膜の当該層の電気特性の調節が困難となる事態が回避される。   According to this method, the amount of oxygen defects in at least a part of the functionally graded film can be reduced by a simple method of realizing an oxidizing atmosphere (or oxygen atmosphere). A situation in which it is difficult to adjust the electrical characteristics of the layer of the functional film is avoided.

本発明の第1実施形態としての傾斜機能膜の製造方法の手順説明図。Explanatory drawing of the procedure of the manufacturing method of a functionally gradient film as 1st Embodiment of this invention. 本発明の傾斜機能膜の製造方法に関する説明図。Explanatory drawing regarding the manufacturing method of the functionally gradient film of this invention. 傾斜機能膜の成長過程に関する説明図。Explanatory drawing regarding the growth process of a functionally gradient film. 本発明の第1実施形態としての傾斜機能膜の構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Structure explanatory drawing of the functionally gradient film as 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施例群の傾斜機能膜の電気特性に関する説明図。Explanatory drawing regarding the electrical property of the functionally gradient film of 1st Example group of this invention. 本発明の第2実施形態としての傾斜機能膜の製造方法の手順説明図。Explanatory drawing of the procedure of the manufacturing method of the functionally gradient film as 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態としての傾斜機能膜の構成説明図。Structure explanatory drawing of the functionally gradient film as 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施例群の傾斜機能膜の電気特性に関する説明図。Explanatory drawing regarding the electrical property of the functionally gradient film of 2nd Example group of this invention. 本発明の第2実施例群の傾斜機能膜の電流特性の膜厚依存性に関する説明図。Explanatory drawing regarding the film thickness dependence of the electric current characteristic of the functionally gradient film of 2nd Example group of this invention. 本発明の第2実施例群の傾斜機能膜の電気特性に関する説明図。Explanatory drawing regarding the electrical property of the functionally gradient film of 2nd Example group of this invention.

(本発明の第1実施形態としての成膜方法の構成)
本発明の第1実施形態としての傾斜機能膜の成膜方法について説明する。
(Configuration of Film Formation Method as First Embodiment of the Present Invention)
A method of forming a functionally graded film as the first embodiment of the present invention will be described.

まず、ジルコニウム無機塩を溶質とし、アルコールを溶媒とし、ケトン類化合物を第1助剤として原料溶液が調製される(図1/STEP102)。原料溶液の調製に際して、第1助剤の濃度が調節される。   First, a raw material solution is prepared using a zirconium inorganic salt as a solute, alcohol as a solvent, and a ketone compound as a first auxiliary agent (FIG. 1 / STEP 102). In preparing the raw material solution, the concentration of the first auxiliary agent is adjusted.

ここで「ジルコニウム無機塩」には、テトラキス(アセチルアセトナト)ジルコニウムなどのβ−ジケトン基を有するジルコニウム化合物、硝酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、塩化ジルコニウム、塩化酸化ジルコニウム、フッ化ジルコニウム、フッ化酸化ジルコニウム、臭化ジルコニウム、臭化酸化ジルコニウム、ヨウ化ジルコニウム、ヨウ化酸化ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、ギ酸ジルコニウム、シュウ酸ジルコニウムなどの金属塩、ジルコニウムEDTA錯体などの錯体化合物などが含まれる。   Here, the “zirconium inorganic salt” includes a zirconium compound having a β-diketone group such as tetrakis (acetylacetonato) zirconium, zirconium nitrate, zirconium sulfate, zirconium chloride, zirconium chloride oxide, zirconium fluoride, zirconium fluoride oxide, Zirconium bromide, zirconium bromide oxide, zirconium iodide, zirconium iodide oxide, metal salts such as zirconium acetate, zirconium formate and zirconium oxalate, and complex compounds such as zirconium EDTA complex are included.

「アルコール」には、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、tert-ブタノールなどの1価アルコール、エチレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール、水酸基を有するフェノール類、アミン類、アミノ酸類などが含まれる。   “Alcohol” includes monohydric alcohols such as ethanol, methanol, propanol, isopropanol and tert-butanol, polyhydric alcohols such as ethylene glycol and glycerin, phenols having a hydroxyl group, amines and amino acids.

「ケトン類化合物」には、アセチルアセトン、ジピバロイルメタン、ジイソブチリルメタン、イソブチリルピバロイルメタン、2,2,6,6-テトラメチル-3,5-オクタンジオンなどのβ−ジケトン類化合物、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなど、ケトン基を有している化合物が含まれる。   “Ketone compounds” include β-diketones such as acetylacetone, dipivaloylmethane, diisobutyrylmethane, isobutyrylpivaloylmethane, 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedione, etc. And compounds having a ketone group, such as a similar compound, acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone.

ミスト発生(原料溶液噴霧)及びジルコニア薄膜の気相成長というプロセスの繰り返し回数を表わす指数「i」と、成膜雰囲気温度Tの切り替え回数を表わす指数「j」とが、ともに「1」に設定される(図1/STEP104)。   An index “i” representing the number of repetitions of the process of mist generation (raw material solution spraying) and vapor phase growth of the zirconia thin film and an index “j” representing the number of times the film formation atmosphere temperature T is switched are both set to “1”. (FIG. 1 / STEP 104).

指数iがNj以下であるか否かが判定される(図1/STEP106)。この判定は、成膜雰囲気温度Tの切り替え要否の判定に相当する。   It is determined whether or not the index i is Nj or less (FIG. 1 / STEP 106). This determination corresponds to the determination as to whether the film formation atmosphere temperature T needs to be switched.

当該判定結果が肯定的である場合(図1/STEP106‥YES)、成膜雰囲気温度TがTjに制御される(図1/STEP110)。すなわち、この場合、成膜雰囲気温度Tの今回値が前回値と同じ値に維持される。   If the determination result is affirmative (FIG. 1 / STEP 106... YES), the film formation atmosphere temperature T is controlled to Tj (FIG. 1 / STEP 110). That is, in this case, the current value of the film formation atmosphere temperature T is maintained at the same value as the previous value.

一方、当該判定結果が否定的である場合(図1/STEP106‥NO)、指数jが1だけ増加された上で(図1/STEP108)、加熱器が用いられて、成膜雰囲気温度TがTjに制御される(図1/STEP110)。すなわち、この場合、成膜雰囲気温度Tの今回値が前回値とは異なる値に変更される。加熱器の動作は、コンピュータにより構成されている制御装置により制御されてもよい。 On the other hand, when the determination result is negative (FIG. 1 / STEP 106... NO), the index j is increased by 1 (FIG. 1 / STEP 108), and a heater is used to set the film formation atmosphere temperature T to be 1. It is controlled to T j (FIG. 1 / STEP 110). That is, in this case, the current value of the film formation atmosphere temperature T is changed to a value different from the previous value. The operation of the heater may be controlled by a control device configured by a computer.

例えば、図2に示されているように基板が載せられている加熱器としてのホットプレートが用いられて当該基板が加熱されることにより、成膜雰囲気温度Tが制御される。そのほか、原料溶液の今回層における溶媒を気化又は蒸発させるとともに溶質を構成するジルコニウムを酸化させることができることを条件として、成膜雰囲気温度がさまざまな方法によって制御されてもよい。例えば、基板が収容されるチャンバ内に配置された加熱器によって成膜雰囲気温度Tが制御されてもよい。   For example, as shown in FIG. 2, the deposition atmosphere temperature T is controlled by using a hot plate as a heater on which the substrate is placed and heating the substrate. In addition, the film forming atmosphere temperature may be controlled by various methods on the condition that the solvent in the current layer of the raw material solution can be vaporized or evaporated and the zirconium constituting the solute can be oxidized. For example, the film formation atmosphere temperature T may be controlled by a heater disposed in a chamber in which the substrate is accommodated.

さらに、噴霧器を用いて原料溶液のミストが生成される(図1/STEP112)。例えば、図2に示されているように噴霧器としてプランジャポンプが用いられ、原料溶液が基板に向かって噴霧される。プランジャポンプによる噴霧方式は加圧式又は一流体式なので、二流体式とは異なり、キャリアガスを用いずに原料溶液のミスト生成が可能である。例えば、原料溶液の100回あたり噴霧量が15〜20[ml]になるように調節されている。噴霧器の動作も、加熱器の動作と同様にコンピュータにより構成されている制御装置により制御されてもよい。なお、二流体方式の噴霧器等、プランジャポンプとは異なる噴霧器が用いられて原料溶液のミストが生成されてもよい。   Further, a mist of the raw material solution is generated using a sprayer (FIG. 1 / STEP 112). For example, as shown in FIG. 2, a plunger pump is used as a sprayer, and the raw material solution is sprayed toward the substrate. Since the spray method by the plunger pump is a pressurization type or a one-fluid type, unlike the two-fluid type, it is possible to generate a mist of a raw material solution without using a carrier gas. For example, the spray amount is adjusted to 15 to 20 [ml] per 100 times of the raw material solution. The operation of the sprayer may also be controlled by a control device configured by a computer, similar to the operation of the heater. Note that a mist of the raw material solution may be generated using a sprayer different from the plunger pump, such as a two-fluid sprayer.

雰囲気温度Tが制御されることにより、原料溶液の今回層における溶媒を気化又は蒸発させるとともに溶質を構成するジルコニウムを酸化させることにより、ジルコニア薄膜が徐々に成長する。   By controlling the atmospheric temperature T, the solvent in the current layer of the raw material solution is vaporized or evaporated, and the zirconium constituting the solute is oxidized to gradually grow the zirconia thin film.

指数iが小さい初期段階では、図3(a)に示されているように基板の表面に島状に分散したジルコニア薄膜のシーズ(斜線部分参照)が形成される。その後の原料溶液の供給により、当該複数のシーズが基板表面に対して平行な方向にも成長することによって、図3(b)に示されているように基板の表面全体を覆うジルコニア薄膜が形成される。その後、指数iの増加、ひいては層の堆積に伴い、図3(c)に示されているようにジルコニア薄膜又は機能傾斜膜は基板の表面に対して垂直な方向に成長することによってその厚みを徐々に増していく。   In the initial stage where the index i is small, as shown in FIG. 3A, seeds of zirconia thin films dispersed in islands (see shaded areas) are formed on the surface of the substrate. By subsequently supplying the raw material solution, the seeds grow in a direction parallel to the substrate surface, thereby forming a zirconia thin film covering the entire surface of the substrate as shown in FIG. Is done. Thereafter, as the index i increases, and as the layer is deposited, the zirconia thin film or functionally graded film grows in a direction perpendicular to the surface of the substrate as shown in FIG. It gradually increases.

その後、指数iが目標回数N(Nj≦N)に等しいか否かが判定される(図1/STEP114)。 Thereafter, it is determined whether or not the index i is equal to the target number of times N (N j ≦ N) (FIG. 1 / STEP 114).

当該判定結果が否定的である場合(図1/STEP114‥NO)、指数iの値が「1」だけ増やされる(図1/STEP116)。その上で、指数iがNj以下であるか否かが判定され(図1/STEP106)、成膜雰囲気温度Tの制御(図1/STEP110参照)及びミスト生成(図1/STEP112参照)というプロセスが繰り返される。回数Nが調節されることにより傾斜機能膜の厚さが調節される。   When the determination result is negative (FIG. 1 / STEP 114... NO), the value of the index i is increased by “1” (FIG. 1 / STEP 116). After that, it is determined whether or not the index i is Nj or less (FIG. 1 / STEP 106), and a process of controlling the film formation atmosphere temperature T (see FIG. 1 / STEP 110) and mist generation (see FIG. 1 / STEP 112). Is repeated. By adjusting the number of times N, the thickness of the functionally graded film is adjusted.

その一方、当該判定結果が肯定的である場合(図1/STEP114‥YES)、オゾンを用いた酸化雰囲気において、材料溶液の溶媒を蒸発させるときよりも高温で傾斜機能膜が熱処理される(図1/STEP118)。なお、事後的なジルコニア薄膜の熱処理(図1/STEP118参照)に代えて又は加えて、指数iが指定値に一致する又は指定範囲に含まれることを条件として、酸化雰囲気において成膜雰囲気温度Tの制御(図1/STEP110参照)及びミスト生成(図1/STEP112参照)というプロセスが繰り返されてもよい。   On the other hand, when the determination result is affirmative (FIG. 1 / STEP 114... YES), the functionally gradient film is heat-treated at a higher temperature than when the solvent of the material solution is evaporated in an oxidizing atmosphere using ozone (FIG. 1). 1 / STEP 118). In addition, instead of or in addition to the subsequent heat treatment of the zirconia thin film (see FIG. 1 / STEP 118), the film formation atmosphere temperature T in the oxidizing atmosphere is provided on condition that the index i matches or falls within the specified range. The processes of control (see FIG. 1 / STEP 110) and mist generation (see FIG. 1 / STEP 112) may be repeated.

これにより、例えば、図4に示されているように、n個の機能層A1〜Anにより構成されている傾斜機能膜が基板上に製造される。原料が同一であって、ジルコニア薄膜の傾斜機能膜はその膜厚方向についてエピタキシャル成長あるいは擬エピタキシャル成長することができる。したがって、膜厚方向について隣接しあう機能層の境界において、ジルコニアの結晶は不連続ではなく連続している。 Thereby, for example, as shown in FIG. 4, a functionally graded film composed of n functional layers A 1 to An is manufactured on the substrate. The functionally graded zirconia thin film can be epitaxially grown or quasi-epitaxially grown in the film thickness direction using the same raw material. Accordingly, zirconia crystals are continuous rather than discontinuous at the boundary between the functional layers adjacent to each other in the film thickness direction.

第j機能層Ajは、雰囲気温度T=Tjにおいて、ミストの生成及びジルコニウムの酸化というプロセスがNj−Nj−1(N0=0)だけ繰り返されたことにより形成されている。第j機能層Ajは、当該プロセスの繰り返し回数Nj−Nj−1の多少に応じた厚さt(Aj)を有するとともに、雰囲気温度T=Tjに応じた電気特性を有する。 The j-th functional layer A j is formed by repeating the processes of mist generation and zirconium oxidation for N j −N j−1 (N 0 = 0) at the ambient temperature T = T j . The j-th functional layer A j has a thickness t (A j ) corresponding to the number of repetitions N j −N j−1 of the process and electric characteristics corresponding to the ambient temperature T = T j .

(実施例)
(実施例1)
溶質として0.01[mol]のテトラキス(アセチルアセトナト)ジルコニウムが用いられ、溶媒としてエタノールが用いられ、第1助剤としてアセチルアセトンが用いられ、ジルコニウムイオン濃度が0.05[mol/l]である200[ml]の原料溶液が調製された。第1助剤の濃度は20[vol.%]に調節された。
(Example)
Example 1
0.01 [mol] tetrakis (acetylacetonato) zirconium is used as the solute, ethanol is used as the solvent, acetylacetone is used as the first auxiliary agent, and the zirconium ion concentration is 0.05 [mol / l]. A 200 [ml] raw material solution was prepared. The concentration of the first auxiliary agent is 20 [vol. %].

なお、第1助剤としてのアセチルアセトンの濃度は、原料溶液の調整後の経過時間に関わらず安定的に薄膜を形成する観点から、0.02〜2[vol.%]又は20〜40[vol.%]に調製されることが好ましい。   The concentration of acetylacetone as the first auxiliary agent is 0.02-2 [vol. 2] from the viewpoint of stably forming a thin film regardless of the elapsed time after the preparation of the raw material solution. %] Or 20-40 [vol. %].

成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T2=400[℃]でN2−N1=320回のプロセスが繰り返された。そして、オゾンを用いた酸化雰囲気において、材料溶液の溶媒を蒸発させるときよりも高温であるT=600[℃]で傾斜機能膜が熱処理された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層 と、厚さ0.2[μm]の第2機能層 とが順に積層されることにより構成されている実施例1の傾斜機能膜 が形成された。 The process of N 1 = 80 was repeated at the film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and the process of N 2 −N 1 = 320 was repeated at the film formation atmosphere temperature T 2 = 400 [° C.]. In the oxidizing atmosphere using ozone, the functionally graded film was heat-treated at T = 600 [° C.], which is a higher temperature than when the solvent of the material solution was evaporated. Thus, the first functional layer having a thickness of 0.05 [μm] and the second functional layer having a thickness of 0.2 [μm] are sequentially laminated on the substrate. A functionally graded film was formed.

(実施例2)
成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T2=400[℃]でN2−N1=320回のプロセスが繰り返された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層と、厚さ0.2[μm]の第2機能層とが順に積層されることにより構成されている実施例2の傾斜機能膜 が形成された。
(Example 2)
The process of N 1 = 80 was repeated at the film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and the process of N 2 −N 1 = 320 was repeated at the film formation atmosphere temperature T 2 = 400 [° C.]. Thereby, the first functional layer having a thickness of 0.05 [μm] and the second functional layer having a thickness of 0.2 [μm] are sequentially stacked on the substrate in the second embodiment. A functionally graded film was formed.

(実施例3)
成膜雰囲気温度T1=600[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T2=450[℃]でN2−N1=320回のプロセスが繰り返された。そして、オゾンを用いた酸化雰囲気において、材料溶液の溶媒を蒸発させるときよりも高温であるT=600[℃]で傾斜機能膜が熱処理された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層 と、厚さ0.2[μm]の第2機能層 とが順に積層されることにより構成されている実施例3の傾斜機能膜 が形成された。
Example 3
N 1 = 80 processes were repeated at the film formation atmosphere temperature T 1 = 600 [° C.], and N 2 −N 1 = 320 processes were repeated at the film formation atmosphere temperature T 2 = 450 [° C.]. In the oxidizing atmosphere using ozone, the functionally graded film was heat-treated at T = 600 [° C.], which is a higher temperature than when the solvent of the material solution was evaporated. Thereby, the first functional layer having a thickness of 0.05 [μm] and the second functional layer having a thickness of 0.2 [μm] are sequentially stacked on the substrate in the third embodiment. A functionally graded film was formed.

(実施例4)
成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T2=500[℃]でN2−N1=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T3=450[℃]でN3−N2=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T4=400[℃]でN4−N3=160回のプロセスが繰り返された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層と、厚さ0.05[μm]の第2機能層と、厚さ0.05[μm]の第3機能層と、厚さ0.1[μm]の第4機能層とが順に積層されることにより構成されている実施例4の傾斜機能膜 が形成された。
Example 4
N 1 = 80 processes are repeated at the deposition atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and N 2 −N 1 = 80 processes are repeated at the deposition atmosphere temperature T 2 = 500 [° C.]. N 3 -N 2 = 80 processes are repeated at the film atmosphere temperature T 3 = 450 [° C.], and N 4 −N 3 = 160 processes are repeated at the film formation atmosphere temperature T 4 = 400 [° C.]. It was. Thereby, a first functional layer having a thickness of 0.05 [μm], a second functional layer having a thickness of 0.05 [μm], and a third functional layer having a thickness of 0.05 [μm] are formed on the substrate. Thus, the functionally graded film of Example 4 formed by sequentially stacking the fourth functional layer having a thickness of 0.1 [μm] was formed.

図5(a)〜(d)のそれぞれには、実施例1〜4のそれぞれの傾斜機能膜およびこれを構成する各機能層の電圧−電流特性が示されている(実線‥傾斜機能膜、一点鎖線‥第1機能層、二点鎖線‥第2機能層、一点鎖線(太)‥第3機能層、二点鎖線(太)‥第4機能層)。   In each of FIGS. 5A to 5D, voltage-current characteristics of each functionally graded film of Examples 1 to 4 and each functional layer constituting the functionally graded film are shown (solid line: functionally graded film, Dash-dotted line: 1st functional layer, 2-dot chain line ... 2nd functional layer, 1-dot chain line (thick) ... 3rd functional layer, 2-dot chain line (thick) ... 4th functional layer).

図5(b)および(d)から実施例2および4の傾斜機能膜の電気伝導度σが比較的高いことがわかるが、これは、成膜雰囲気温度T1=550[℃]で得られた第1機能層の結晶性および移動度μが踏襲されたためである。さらに、図5(a)および(c)から実施例1および3の傾斜機能膜の電気伝導度σが比較的低いことがわかるが、これは、オゾンを用いた酸化雰囲気で熱処理されることにより、第1機能層の結晶性が踏襲されつつ、第2機能層以降が酸化されたためである。 FIGS. 5B and 5D show that the functional conductivity σ of the functionally graded films of Examples 2 and 4 is relatively high. This is obtained at the film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.]. This is because the crystallinity and mobility μ of the first functional layer were followed. Furthermore, it can be seen from FIGS. 5A and 5C that the electrical conductivity σ of the functionally gradient films of Examples 1 and 3 is relatively low. This is because heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere using ozone. This is because the second functional layer and subsequent layers were oxidized while the crystallinity of the first functional layer was followed.

(本発明の第2実施形態としての成膜方法の構成)
本発明の第2実施形態としての傾斜機能膜の成膜方法について説明する。
(Configuration of Film Formation Method as Second Embodiment of the Present Invention)
A method for forming a functionally graded film as a second embodiment of the present invention will be described.

まず、ジルコニウム無機塩を溶質とし、アルコールを溶媒とし、ケトン類化合物を第1助剤とし、金属化合物を第2助剤として、第2助剤の濃度が異なる複数種類の原料溶液が調製される(図6/STEP202)。   First, a plurality of types of raw material solutions having different concentrations of the second auxiliary agent are prepared using zirconium inorganic salt as a solute, alcohol as a solvent, a ketone compound as a first auxiliary agent, and a metal compound as a second auxiliary agent. (FIG. 6 / STEP 202).

ここで、「金属化合物」には、硝酸アルミニウムなどの硝酸金属、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、フッ化アルミニウム、ヨウ化アルミニウム、リン酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、酢酸アルミニウム、ギ酸アルミニウム、シュウ酸アルミニウムなどの金属塩、トリス(アセチルアセトナト)アルミニウムなどβ−ジケトン基を有する金属化合物、トリス(8-キノリノラト)アルミニウム、アルミニウムEDTAなどの錯体化合物などが含まれる。   Here, "metal compound" includes metal nitrates such as aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum fluoride, aluminum iodide, aluminum phosphate, aluminum hydroxide, aluminum acetate, aluminum formate, Shu Metal salts such as aluminum acid, metal compounds having a β-diketone group such as tris (acetylacetonato) aluminum, complex compounds such as tris (8-quinolinolato) aluminum, aluminum EDTA, and the like are included.

ミスト発生(原料溶液噴霧)、ジルコニア薄膜の気相成長というプロセスの繰り返し回数を表わす指数「i」と、成膜雰囲気温度Tの切り替え回数を表わす指数「j」と、原料切り替え回数を表わす指数「k」とがともに「1」に設定される(図6/STEP204)。   An index “i” representing the number of repetitions of the process of mist generation (raw material solution spraying) and vapor phase growth of the zirconia thin film, an index “j” representing the number of times of film formation atmosphere temperature T switching, and an index “ k ”is set to“ 1 ”(FIG. 6 / STEP 204).

指数iがNj以下であるか否かが判定される(図6/STEP206)。この判定は、成膜雰囲気温度Tの切り替え要否の判定に相当する。   It is determined whether or not the index i is Nj or less (FIG. 6 / STEP 206). This determination corresponds to the determination as to whether the film formation atmosphere temperature T needs to be switched.

当該判定結果が肯定的である場合(図6/STEP206‥YES)、成膜雰囲気温度TがTjに制御される(図6/STEP210)。すなわち、この場合、成膜雰囲気温度Tの今回値が前回値と同じ値に維持される。   If the determination result is affirmative (FIG. 6 / STEP 206... YES), the film formation atmosphere temperature T is controlled to Tj (FIG. 6 / STEP 210). That is, in this case, the current value of the film formation atmosphere temperature T is maintained at the same value as the previous value.

一方、当該判定結果が否定的である場合(図6/STEP206‥NO)、指数jが1だけ増加された上で(図6/STEP208)、加熱器が用いられて、成膜雰囲気温度TがTjに制御される(図6/STEP210)。すなわち、この場合、成膜雰囲気温度Tの今回値が前回値とは異なる値に変更される。加熱器の動作は、コンピュータにより構成されている制御装置により制御されてもよい。 On the other hand, when the determination result is negative (FIG. 6 / STEP 206... NO), the index j is increased by 1 (FIG. 6 / STEP 208), and a heater is used so that the film-forming atmosphere temperature T is increased. It is controlled to T j (FIG. 6 / STEP 210). That is, in this case, the current value of the film formation atmosphere temperature T is changed to a value different from the previous value. The operation of the heater may be controlled by a control device configured by a computer.

指数iがNk以下であるか否かが判定される(図6/STEP212)。この判定は、ミスト源である原料溶液の切り替え要否の判定に相当する。 It is determined whether or not the index i is N k or less (FIG. 6 / STEP 212). This determination corresponds to the determination of whether or not switching of the raw material solution that is the mist source is necessary.

当該判定結果が肯定的である場合(図6/STEP212‥YES)、第k種の原料溶液のミストが生成される(図6/STEP216)。すなわち、この場合、今回生成されるミストが前回生成されたミストと同じ原料溶液から生成される。   If the determination result is affirmative (FIG. 6 / STEP 212... YES), a mist of the k-th raw material solution is generated (FIG. 6 / STEP 216). That is, in this case, the mist generated this time is generated from the same raw material solution as the mist generated last time.

一方、当該判定結果が否定的である場合(図6/STEP212‥NO)、指数kが1だけ増加された上で(図6/STEP214)、第k種の原料溶液のミストが生成される(図6/STEP216)。すなわち、この場合、今回生成されるミストが前回生成されたミストと異なる種類の原料溶液、すなわち、第2助剤の含有量が異なる原料溶液から生成される。第2助剤の含有量が異なる原料溶液ごとに、別個の噴霧器が用意され、各噴霧器の動作が、コンピュータにより構成されている制御装置により制御されてもよい。   On the other hand, when the determination result is negative (FIG. 6 / STEP 212... NO), the index k is increased by 1 (FIG. 6 / STEP 214), and a mist of the k-type raw material solution is generated ( FIG. 6 / STEP 216). That is, in this case, the mist generated this time is generated from a raw material solution of a different type from the mist generated last time, that is, a raw material solution having a different content of the second auxiliary agent. A separate sprayer may be prepared for each raw material solution having a different content of the second auxiliary agent, and the operation of each sprayer may be controlled by a control device configured by a computer.

雰囲気温度Tが制御されることにより、原料溶液の今回層における溶媒を気化又は蒸発させるとともに溶質を構成するジルコニウムを酸化させることにより、ジルコニア薄膜が徐々に成長する。   By controlling the atmospheric temperature T, the solvent in the current layer of the raw material solution is vaporized or evaporated, and the zirconium constituting the solute is oxidized to gradually grow the zirconia thin film.

その後、指数iが目標回数N(Nj≦N)に等しいか否かが判定される(図6/STEP218)。   Thereafter, it is determined whether or not the index i is equal to the target number N (Nj ≦ N) (FIG. 6 / STEP 218).

当該判定結果が否定的である場合(図6/STEP218‥NO)、指数iの値が「1」だけ増やされる(図6/STEP220)。その上で、指数iがNj以下であるか否かが判定され(図6/STEP206)、成膜雰囲気温度Tの制御(図6/STEP210参照)及びミスト生成(図6/STEP216参照)というプロセスが繰り返される。回数Nが調節されることにより傾斜機能膜の厚さが調節される。 If the determination result is negative (FIG. 6 / STEP 218... NO), the value of the index i is increased by “1” (FIG. 6 / STEP 220). After that, it is determined whether or not the index i is N j or less (FIG. 6 / STEP 206), which is referred to as control of the film formation atmosphere temperature T (see FIG. 6 / STEP 210) and mist generation (see FIG. 6 / STEP 216). The process is repeated. By adjusting the number of times N, the thickness of the functionally graded film is adjusted.

その一方、当該判定結果が肯定的である場合(図6/STEP218‥YES)、オゾンを用いた酸化雰囲気において、材料溶液の溶媒を蒸発させるときよりも高温で傾斜機能膜が熱処理される(図6/STEP222)。なお、事後的なジルコニア薄膜の熱処理(図6/STEP222参照)に代えて又は加えて、指数iが指定値に一致する又は指定範囲に含まれることを条件として、酸化雰囲気において成膜雰囲気温度Tの制御(図6/STEP210参照)及びミスト生成(図6/STEP216参照)というプロセスが繰り返されてもよい。   On the other hand, when the determination result is affirmative (FIG. 6 / STEP 218... YES), the functionally graded film is heat-treated at a higher temperature than when the solvent of the material solution is evaporated in an oxidizing atmosphere using ozone (FIG. 6). 6 / STEP 222). In addition, in place of or in addition to the subsequent heat treatment of the zirconia thin film (see FIG. 6 / STEP 222), the film formation atmosphere temperature T in the oxidizing atmosphere is provided on condition that the index i matches or falls within the specified range. The process of control (see FIG. 6 / STEP 210) and mist generation (see FIG. 6 / STEP 216) may be repeated.

これにより、例えば、図7に示されているように、m個の機能層B1〜Bmにより構成されている傾斜機能膜が基板上に製造される。原料は第2助剤の含有量を除いてほぼ同一であるため、ジルコニア薄膜の傾斜機能膜はその膜厚方向についてエピタキシャル成長することができる。したがって、膜厚方向について隣接しあう機能層の境界において、ジルコニアの結晶は不連続ではなく連続している。 Thereby, for example, as shown in FIG. 7, a functionally graded film composed of m functional layers B 1 to B m is manufactured on the substrate. Since the raw materials are almost the same except for the content of the second auxiliary agent, the functionally graded film of the zirconia thin film can be epitaxially grown in the film thickness direction. Accordingly, zirconia crystals are continuous rather than discontinuous at the boundary between the functional layers adjacent to each other in the film thickness direction.

第k機能層Bkは、第k種原料溶液のミストの生成及びジルコニウムの酸化というプロセスが繰り返されたことにより形成されている。第k機能層Lkは、第k種原料溶液における第2助剤の含有量の多少に加えて、これが生成される際の雰囲気温度Tに応じた電気特性を有する。また、第k機能層Lkが同一の雰囲気温度Tで形成された場合、第k機能層Lkは一様な電気特性を有する。その一方、第k機能層Lkの形成途中で雰囲気温度Tが変更された場合、第k機能層Lkは雰囲気温度Tの当該変更前に形成された部分と、雰囲気温度Tの当該変更後に形成された部分とで異なる電気特性を有する。 The k-th functional layer B k is formed by repeating processes of generating mist of the k-th type raw material solution and oxidizing zirconium. The k-th functional layer L k has electrical characteristics corresponding to the atmospheric temperature T when the k-type raw material solution is produced, in addition to the content of the second auxiliary agent in the k-th raw material solution. Further, when the k-th functional layer L k is formed at the same atmospheric temperature T, the k-th functional layer L k has uniform electrical characteristics. Meanwhile, if the ambient temperature T is changed in the course formation of the k functional layer L k, a k-th functional layer L k is formed in the front the change of the atmospheric temperature T moiety, after the change of the ambient temperature T The formed portion has different electrical characteristics.

(実施例)
(実施例5)
溶質として0.01[mol]のテトラキス(アセチルアセトナト)ジルコニウムが用いられ、溶媒としてエタノールが用いられ、第1助剤としてアセチルアセトンが用いられ、第2助剤として硝酸アルミニウムが用いられ、ジルコニウムイオン濃度が0.05[mol/l]である200[ml]の原料溶液が調製された。第1助剤の濃度が20[vol.%]に調製され、アルミニウムが0[atm%]、あるいは1[atm%]、あるいは2[atm%]になるように第2助剤の添加量が調製された。
(Example)
(Example 5)
0.01 [mol] tetrakis (acetylacetonato) zirconium is used as a solute, ethanol is used as a solvent, acetylacetone is used as a first auxiliary agent, aluminum nitrate is used as a second auxiliary agent, zirconium ion A 200 [ml] raw material solution having a concentration of 0.05 [mol / l] was prepared. The concentration of the first auxiliary agent is 20 [vol. %], And the additive amount of the second auxiliary agent was adjusted so that aluminum was 0 [atm%], 1 [atm%], or 2 [atm%].

アルミニウム2[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、アルミニウム1[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T2=550[℃]でN2−N1=80回のプロセスが繰り返され、アルミニウム0[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T3=550[℃]でN3−N2=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T4=450[℃]でN4−N3=80回のプロセスが繰り返され、成膜雰囲気温度T5=400[℃]でN5−N4=80回のプロセスが繰り返された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層と、厚さ0.05[μm]の第2機能層と、厚さ0.05[μm]の第3機能層と、厚さ0.05[μm]の第4機能層と、厚さ0.05[μm]の第5機能層とが順に積層されることにより構成されている実施例5の傾斜機能膜が形成された。 Using a solution of aluminum 2 [atm%], the process was repeated N 1 = 80 times at a film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and using a solution of aluminum 1 [atm%], the film formation atmosphere temperature T N 2 −N 1 = 80 processes were repeated at 2 = 550 [° C.], a solution of aluminum 0 [atm%] was used, a film formation atmosphere temperature T 3 = 550 [° C.], and N 3 −N 2 = The process was repeated 80 times, and N 4 −N 3 = 80 processes were repeated at a film formation atmosphere temperature T 4 = 450 [° C.], and N 5 −N at a film formation atmosphere temperature T 5 = 400 [° C.]. 4 = 80 processes were repeated. Thereby, a first functional layer having a thickness of 0.05 [μm], a second functional layer having a thickness of 0.05 [μm], and a third functional layer having a thickness of 0.05 [μm] are formed on the substrate. The functional gradient film of Example 5 is formed by sequentially stacking a fourth functional layer having a thickness of 0.05 [μm] and a fifth functional layer having a thickness of 0.05 [μm]. It was done.

(実施例6)
アルミニウム2[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=80回のプロセスが繰り返され、アルミニウム1[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T2=550[℃]でN2−N1=160回のプロセスが繰り返され、アルミニウム0[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T3=550[℃]でN3−N2=160回のプロセスが繰り返された。これにより、基板上に厚さ0.05[μm]の第1機能層と、厚さ0.10[μm]の第2機能層と、厚さ0.10[μm]の第3機能層とが順に積層されることにより構成されている実施例6の傾斜機能膜が形成された。
(Example 6)
Using a solution of aluminum 2 [atm%], the process was repeated N 1 = 80 times at a film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and using a solution of aluminum 1 [atm%], the film formation atmosphere temperature T 2 = 550 [℃] N 2 -N 1 = 160 times in the process is repeated by using a solution of aluminum 0 [atm%], deposition atmosphere temperature T 3 = 550 [℃] at N 3 -N 2 = 160 processes were repeated. Thereby, a first functional layer having a thickness of 0.05 [μm], a second functional layer having a thickness of 0.10 [μm], and a third functional layer having a thickness of 0.10 [μm] are formed on the substrate. The functionally graded film of Example 6 configured by sequentially stacking layers was formed.

(実施例7)
アルミニウム2[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T1=550[℃]でN1=160回のプロセスが繰り返され、アルミニウム0[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T2=400[℃]でN2−N1=80回のプロセスが繰り返され、アルミニウム2[atm%]の溶液を用い、成膜雰囲気温度T3=550[℃]でN3−N2=160回のプロセスが繰り返された。これにより、基板上に厚さ0.10[μm]の第1機能層と、厚さ0.05[μm]の第2機能層と、厚さ0.10[μm]の第3機能層とが順に積層されることにより構成されている実施例7の傾斜機能膜が形成された。
(Example 7)
The process of N 1 = 160 was repeated using a solution of aluminum 2 [atm%] at a film formation atmosphere temperature T 1 = 550 [° C.], and a film formation atmosphere temperature T using a solution of aluminum 0 [atm%]. 2 = 400 [℃] N 2 -N 1 = 80 times the process is repeated by using a solution of aluminum 2 [atm%], deposition atmosphere temperature T 3 = 550 [℃] at N 3 -N 2 = 160 processes were repeated. Accordingly, the first functional layer having a thickness of 0.10 [μm], the second functional layer having a thickness of 0.05 [μm], and the third functional layer having a thickness of 0.10 [μm] are formed on the substrate. The functionally graded film of Example 7, which is configured by sequentially stacking layers, was formed.

図8(a)〜(c)のそれぞれには、実施例5〜7のそれぞれの傾斜機能膜を構成する各機能層の電圧−電流特性が示されている。図9には、実施例5〜7のそれぞれの傾斜機能膜の電流特性の膜厚依存性が示されている(実線‥実施例5、破線‥実施例6、一点鎖線‥実施例7)。図9から、第2助剤の添加量を傾斜させ、成膜雰囲気温度Tを制御することにより、膜厚方向において電気伝導度σの高い部分と低い部分を形成できることがわかる。   8A to 8C show voltage-current characteristics of the functional layers constituting the functionally gradient films of Examples 5 to 7, respectively. FIG. 9 shows the film thickness dependence of the current characteristics of each functionally graded film of Examples 5 to 7 (solid line... Example 5, dashed line. Example 6, one-dot chain line... Example 7). From FIG. 9, it can be seen that a portion with a high electric conductivity σ and a portion with a low electric conductivity σ can be formed in the film thickness direction by inclining the addition amount of the second auxiliary agent and controlling the film formation atmosphere temperature T.

(雰囲気温度と機能層の電気特性との関係)
図10には、機能層を構成するジルコニア薄膜の電気伝導度σの、成膜時の雰囲気温度Tに対する依存性が実線で示されている。電気伝導度σは、ジルコニア薄膜におけるキャリアの密度n及び移動度μのそれぞれに比例する。図10には、キャリア密度nのT依存性が一点鎖線で示され、かつ、キャリア移動度μのT依存性が二点鎖線で示されている。
(Relationship between ambient temperature and electrical characteristics of functional layer)
In FIG. 10, the solid line shows the dependence of the electric conductivity σ of the zirconia thin film constituting the functional layer on the ambient temperature T during film formation. The electrical conductivity σ is proportional to each of the carrier density n and mobility μ in the zirconia thin film. In FIG. 10, the T dependency of the carrier density n is indicated by a one-dot chain line, and the T dependency of the carrier mobility μ is indicated by a two-dot chain line.

図10に示されているように、T=350〜400[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア移動度μ(T)は低い値を示す。これは、T=350〜400[℃]の範囲で成膜されたジルコニア薄膜はアモルファス状態であり、結晶化度が低いためである。一方、T=350〜400[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア密度n(T)が確保される。これは、ZrO2−xのxが0でない(酸素欠陥が存在する)ためである。電気伝導度σはキャリア移動度μ(T)とキャリア密度n(T)の積に比例するが、キャリア移動度μ(T)が低いので、T=350[℃]付近において、ジルコニア薄膜の電気伝導度σは極小値を示している。 As shown in FIG. 10, the carrier mobility μ (T) of the zirconia thin film shows a low value in the range of T = 350 to 400 [° C.]. This is because the zirconia thin film formed in the range of T = 350 to 400 [° C.] is in an amorphous state and has a low crystallinity. On the other hand, the carrier density n (T) of the zirconia thin film is ensured in the range of T = 350 to 400 [° C.]. This is because x of ZrO 2-x is not 0 (oxygen defects exist). The electrical conductivity σ is proportional to the product of the carrier mobility μ (T) and the carrier density n (T), but since the carrier mobility μ (T) is low, the electrical conductivity of the zirconia thin film is around T = 350 [° C.]. The conductivity σ indicates a minimum value.

図10に示されているように、T=400〜575[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア移動度μ(T)が上昇する。これは、Tの上昇に伴ってジルコニア薄膜の結晶化度が徐々に高くなるためである。一方、T=400〜550[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア密度n(T)が減少する。これは、ZrO2−xのxが0に近づく(酸素欠陥が少なくなる)ためである。これらの結果、T=400[℃]付近において、ジルコニア薄膜の電気伝導度σは極大値を示している。これはキャリア密度n(T)の高さと十分なキャリア移動度μ(T)の両方を備えているためである。 As shown in FIG. 10, the carrier mobility μ (T) of the zirconia thin film increases in the range of T = 400 to 575 [° C.]. This is because as the T increases, the crystallinity of the zirconia thin film gradually increases. On the other hand, in the range of T = 400 to 550 [° C.], the carrier density n (T) of the zirconia thin film decreases. This is because x of ZrO 2-x approaches 0 (oxygen defects are reduced). As a result, the electric conductivity σ of the zirconia thin film shows a maximum value in the vicinity of T = 400 [° C.]. This is because both the carrier density n (T) and the sufficient carrier mobility μ (T) are provided.

図10に示されているように、T=575〜600[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア移動度μ(T)がさらに上昇する。これは、Tの上昇に伴いZrO2−xのxがほぼ0となり、酸素欠陥がほとんど無くなることと、結晶の緻密化が進行していくためである。一方、T=550〜600[℃]の範囲において、ジルコニア薄膜のキャリア密度n(T)がほぼ一定となる。これは、酸素欠陥がほとんど無くなるためである。これらの結果、T=550[℃]付近において、ジルコニア薄膜の電気伝導度σは極小値を示している。これはキャリア密度n(T)が十分に減少し、キャリア移動度μ(T)の急峻な上昇を起こす手前であることが理由である。 As shown in FIG. 10, the carrier mobility μ (T) of the zirconia thin film further increases in the range of T = 575 to 600 [° C.]. This is because as the T increases, x of ZrO 2-x becomes almost 0, oxygen defects are almost eliminated, and crystal densification progresses. On the other hand, in the range of T = 550 to 600 [° C.], the carrier density n (T) of the zirconia thin film is substantially constant. This is because oxygen defects are almost eliminated. As a result, in the vicinity of T = 550 [° C.], the electric conductivity σ of the zirconia thin film shows a minimum value. This is because the carrier density n (T) is sufficiently reduced to cause a steep rise in the carrier mobility μ (T).

(本発明の他の実施形態)
本発明の他の実施形態として、前記成膜方法と同様の方法にしたがって、ひび割れ(クラック)又は欠損などが生じた傾斜機能膜が補修されてもよい。具体的には、ジルコニア薄膜に対して原料溶液のミストが供給され、雰囲気温度の制御によって溶媒を蒸発させるとともに溶質を構成するジルコニウムを酸化させるというプロセスが繰り返される。これにより、ひび割れに入り込んだ又は欠損箇所に付着したミスト由来のジルコニアによって、当該ひび割れ等が補修される。
(Other embodiments of the present invention)
As another embodiment of the present invention, a functionally graded film having cracks or defects may be repaired according to the same method as the film forming method. Specifically, the mist of the raw material solution is supplied to the zirconia thin film, and the process of evaporating the solvent and oxidizing the zirconium constituting the solute by controlling the atmospheric temperature is repeated. Thereby, the said crack etc. are repaired with the zirconia derived from the mist which entered the crack or adhered to the defect | deletion location.

Claims (3)

電気特性が膜厚方向について変化する傾斜機能膜を製造する方法であって、
ジルコニウム無機塩を溶質とし、アルコールを溶媒とし、ケトン類化合物を第1助剤とし、前記第1助剤の濃度が調節されている原料溶液を調整し、
基板に対して前記原料溶液のミストを供給し、雰囲気の加熱により前記溶媒を蒸発させるとともに前記溶質を構成するジルコニウムを酸化させるというプロセスを繰り返す過程で、前記雰囲気の温度を400〜600℃の温度範囲で高温から低温まで断続的に変化させ、前記基板の上に電気特性が異なる複数の機能層を順に積層させることにより前記傾斜機能膜を製造することを特徴とする方法。
A method of manufacturing a functionally gradient film in which electrical characteristics change in the film thickness direction,
Zirconium inorganic salt as solute, alcohol as solvent, ketone compound as first auxiliary agent, and adjusting the raw material solution in which the concentration of the first auxiliary agent is adjusted,
In the process of supplying the mist of the raw material solution to the substrate, evaporating the solvent by heating the atmosphere and oxidizing zirconium constituting the solute, the temperature of the atmosphere is set to a temperature of 400 to 600 ° C. A method of manufacturing the functionally graded film by intermittently changing a range from a high temperature to a low temperature and sequentially laminating a plurality of functional layers having different electrical characteristics on the substrate .
請求項1記載の方法において、
金属化合物を第2助剤とし、前記第2助剤の濃度が異なる複数種類の前記原料溶液を準備し、
前記プロセスを繰り返す過程で、前記雰囲気の温度に加えて、前記ミストを構成する前記原料溶液の種類を変化させることにより、前記基板の上に前記傾斜機能膜を製造することを特徴とする方法。
The method of claim 1, wherein
Using a metal compound as a second auxiliary agent, preparing a plurality of types of the raw material solutions having different concentrations of the second auxiliary agent,
In the process of repeating the process, the functionally graded film is manufactured on the substrate by changing the kind of the raw material solution constituting the mist in addition to the temperature of the atmosphere.
請求項1又は2記載の方法において、
前記プロセスを繰り返している途中又は後で、前記傾斜機能膜を酸素雰囲気下で熱処理することを特徴とする方法。
The method according to claim 1 or 2, wherein
A method of heat-treating the functionally gradient film in an oxygen atmosphere during or after the process is repeated.
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