JPH0797296A - 配向性薄膜形成基板およびその作製方法 - Google Patents
配向性薄膜形成基板およびその作製方法Info
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Abstract
化が図れる、配向性薄膜形成のための電極を備えた成膜
基板およびその作製方法を供給する。 【構成】 基板11と、その上に形成された配向性酸化
物下地膜12と、さらに配向性酸化物下地膜12の上に
形成された配向性電極膜13とから構成され、基板11
上に、スパッタ法、あるいは有機金属錯体の蒸気を原料
ガスとするプラズマ励起MO−CVD法によってによっ
て(100)面配向のNaCl型結晶構造の配向性酸化
物下地膜12を形成し、さらにその上にスパッタ法によ
って配向性電極膜13を形成することにより作製する。
Description
電極を備えた成膜基板およびその作製方法に関するもの
である。
焦電型赤外線検出素子、圧電素子、不揮発性メモリー素
子などの電子部品への応用が可能であり、特に最近で
は、研究開発が盛んである。代表的な強誘電体材料とし
ては、ペロブスカイト構造の酸化物があげられる。例え
ばPbTiO3,Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PL
T),PbZrxTi1-xO3(PZT),BaTiO3等
である。
を出力として取り出す素子、例えば焦電型赤外線検出素
子、圧電素子等では、強誘電体の自発分極Psが一方向
に揃っているときに最も大きい出力が得られる。また、
強誘電体は結晶軸の方向により物性、例えば、誘電率や
音速などが異なる場合が多く、素子の高機能化を図るた
めに、強誘電体の結晶軸を制御する技術が求められてい
る。現在、赤外線検出素子や圧電素子に用いられている
強誘電体材料は、多結晶の磁器である。また、その結晶
軸の向きも不規則である。
って、電子材料の薄膜化、特に、エピタキシャル薄膜
や、配向性薄膜の研究開発が盛んである。
クス第60巻第361頁(1986年)(J.Appl.Phy
s.,Vol.60,P.361(1986))には、PbTiO3やPZT薄
膜が、(100)で碧開したMgO単結晶基板上では<
001>方向に、サファイアc面では<111>方向に
配向することが報告されている。このように、強誘電体
薄膜の結晶軸方向は成膜基板の影響を強く受けている。
(rfマグネトロンスパッタ法では、600℃前後)で
作製されることが一般的である。このため、下部電極と
しては、高温でも化学的に安定なPtが使用されること
が多い。配向性強誘電体薄膜を得るためには、下部電極
であるPt膜も配向していることが必要である。ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス第60巻第36
1頁(1986年)(J.Appl.Phys.,Vol.60,P.361(198
6))には、スパッタ法で作製したPtが、(100)で
碧開したMgO単結晶基板上では、<100>方向に配
向することが報告されている。
うな構成では、成膜基板としてMgO単結晶基板、サフ
ァイア単結晶基板を用いるために、成膜基板自体が高価
であるという問題点があった。
り、(111)面の表面自由エネルギーが最も小さいた
めに、MgO(100)単結晶基板では(100)配向
Pt薄膜が得られるものの、他の基板、特に非晶質の基
板では(111)面配向する傾向にある。従って、成膜
基板が限定されるという問題があった。
めに本発明の配向性薄膜形成基板は、基板と、その上に
形成された配向性酸化物下地膜と、さらに前記配向性酸
化物下地膜の上に形成された配向性電極膜とから構成さ
れている。
方法は、基板上に、スパッタ法によって(100)面配
向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形成
し、さらにその上にスパッタ法によって電極膜を形成す
ることである。
製方法は、基板上に、有機金属錯体の蒸気を原料ガスと
するプラズマ励起MO−CVD法によって(100)面
配向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形成
し、さらにその上にスパッタ法によって電極膜を形成す
ることである。
は、金属アセチルアセトナート等の有機金属錯体を原料
ガスに用いたプラズマ励起MO−CVD法によって、基
板にかかわらず、容易に基板に対して垂直方向に<10
0>軸が配向したNaCl結晶構造の各種の酸化物下地
膜が得られる。これらの方法を用いると、非晶質材料を
含むいろいろな材料の基板の上に<100>軸が結晶配
向したMgOあるいは、NiO薄膜を形成でき、この上
に電極膜を形成することにより、<100>軸が結晶配
向した電極膜が形成できる。従って、配向性酸化物下地
膜を形成する基板の選択が可能であり、製造コストを大
幅に減少させることが可能な点で有効である。
の作製方法に関する一実施例について、図面を参照しな
がら説明する。
配向性薄膜形成基板の断面図を示す。
として(100)面配向したMgO、またはNiO薄膜
を形成した。その成膜には、プラズマ励起MO−CVD
成膜装置あるいは、高周波マグネトロンスパッタ装置を
用いた。その成膜方法を以下に述べる。
た、MgOまたは、NiO薄膜のNaCl型酸化物下地
膜12を、プラズマ励起MO−CVD成膜装置により形
成した。基板11としては、石英基板(熱膨張係数0.
5×10-6℃-1)を用いた。図2に示すプラズマ励起M
O−CVD成膜装置は、反応チャンバー21内に平行に
配置した二つの電極22間に高周波によってプラズマを
発生させ、その中で有機金属の原料ガスを分解して第1
基板上に化学蒸着(CVD)することで薄膜を形成する
装置である。ここで、この基板11は、アース側電極に
片側面が密着して保持され、基板加熱ヒータ29によっ
てあらかじめ350 ℃に加熱された状態にした。
セチルアセトナート;Mg(C5H7O2)2を入れ、19
0℃に保持したオイルバスを用いて加熱した。このよう
に加熱することによって気化したマグネシウムアセチル
アセトナートの蒸気を、キャリアガスボンベ27から1
0ml/minの流速のキャリアガス(窒素)を用い
て、反応チャンバー21内に流し入れた。また、反応ガ
スボンベ28から反応ガスとして酸素ガスを12ml/
minで流し、これを途中で混ぜて反応チャンバー21
内に吹出ノズルを介して流し入れた。このとき、反応チ
ャンバー21内は、その排気系23から真空排気される
ことで7.90Paの真空度に保持した。
13.56MHzで400Wの高周波を10分間印加す
ることによって、アース側電極との間にプラズマを発生
させ、基板の片側表面上に<100>方位に結晶配向し
たMgO薄膜を形成した。この成膜中、基板11を基板
回転モータによって120rpmの速度で回転した。こ
のような方法で基板に対して垂直方向に<100>軸に
結晶配向したMgO薄膜のNaCl型酸化物下地膜12
を厚み2000オングストロームで成膜した。
マ励起MO−CVD成膜装置により形成した。基板加熱
ヒータ29によってあらかじめ 350℃に加熱された
状態にした。一方、原料気化容器26にニッケルアセチ
ルアセトナート;Ni(C5H7O2)2H2Oを入れ、1
60℃に保持したオイルバスを用いて加熱した。このよ
うに加熱することによって気化したニッケルアセチルア
セトナートの蒸気を、キャリアガスボンベ27から35
ml/minの流速のキャリアガス(窒素)を用いて、
反応チャンバー21内に流し入れた。また、反応ガスボ
ンベ28から反応ガスとして酸素ガスを15ml/mi
nで流し、これを途中で混ぜて反応チャンバー21内に
吹出ノズルを介して流し入れた。このとき、反応チャン
バー21内は、その排気系23から真空排気されること
で7.90Paの真空度に保持した。
13.56MHzで400Wの高周波を10分間印加す
ることによって、アース側電極との間にプラズマを発生
させ、基板の片側表面上に<100>方位に結晶配向し
たNiO薄膜を形成した。この成膜中、基板11を基板
回転モータによって120rpmの速度で回転した。
<100>軸に結晶配向したNiO薄膜のNaCl型酸
化物下地膜12を厚み2000オングストロームで成膜
した。
2の高周波マグネトロンスパッタ法による作製方法を、
以下に示す。基板11としては、石英基板(熱膨張係数
0.5×10-6℃-1)を用いた。
9.9%)をターゲットとして使用した。スパッタの成
膜条件は、基板温度が600℃、スパッタガスはAr
(50%)と酸素(50%)の混合ガスで、ガス圧は
0.7Pa、高周波投入パワー密度は 2.5W/cm2
(13.56MHz)で、成膜時間は1時間であった。
膜の厚さは0.2μmであった。
度99.9%)を銅製皿に入れて、ターゲットとして用
いた。スパッタ成膜条件は、基板温度が600℃、スパ
ッタガスはAr(60%)と酸素(40%)の混合ガス
で、ガス圧は1.1Pa、高周波投入パワー密度は2.
5W/cm2(13.56MHz)で、成膜時間は1.5
時間であった。膜の厚さは0.2μmであった。
より、配向性酸化物下地膜12上に配向性電極膜13と
して、Pt膜を作製した。スパッタ成膜条件は、基板温
度が400℃、スパッタガスはAr(95%)と酸素
(5%)の混合ガスで、ガス圧は0.5Pa、高周波投
入パワー密度は2.5W/cm2(13.56MHz)
で、成膜時間は1時間であった。膜の厚さは0.2μm
であった。
12上に成膜した配向性電極膜13の配向性を表1に示
す。また、Pt電極膜13を石英基板上に直接形成した
比較例と、プラズマ励起MO−CVD法で形成した(1
00)配向NiO薄膜の配向性酸化物下地膜12上に形
成した場合のX線回折パターンを、それぞれ、図3
(a)および図3(b)に示す
3であるPt膜の<100>方向への配向率であり、
(数1)で定義される。
それぞれPtの(200)、(111)反射の強度を示
す。図3の結果より、配向性酸化物下地膜12上に電極
膜を形成することにより、配向性電極膜13を<100
>軸に結晶配向できることが明かとなった。
(熱膨張係数0.5×10-6℃-1)、Si(100)単
結晶基板(熱膨張係数2.5×10-6℃-1)、ガラス基
板(ソーダライムガラス;熱膨張係数8.7×10-6℃
-1)、結晶化ガラス(熱膨張係数14.2×10
-6℃-1)、ステンレス金属基板(熱膨張係数17.4×
10-6℃-1)を用いた。この上に、実施例1と同様の作
製条件により、<100>軸に結晶配向したNiO薄膜
の配向性酸化物下地膜12をプラズマ励起MO−CVD
法で形成し、さらに高周波マグネトロンスパッタ法によ
りPt膜を作製した。各々の基板上に作製した配向性酸
化物下地膜12上に成膜したPt電極膜13の配向性を
(表2)に示す。
らず、優先的に<100>軸に結晶配向したPt電極膜
を、配向性酸化物下地膜12を介して基板11上に形成
することが可能である。なお、<100>軸に結晶配向
したMgO薄膜の配向性酸化物下地膜12を用いた場合
でも、優先的に<100>軸に結晶配向したPt電極膜
を基板11上に形成することができた。さらに、配向性
酸化物下地膜12を高周波マグネトロンスパッタ法や、
イオンビームスパッタ法により形成した場合も、優先的
に<100>軸に結晶配向したPt電極膜を基板11上
に形成することができた。
に結晶配向した配向性NaCl型酸化物下地膜12を形
成し、さらにその上に優先的に<100>軸に結晶配向
したPtの配向性電極膜13を形成した配向性薄膜形成
基板14上に、強誘電体であるPb0.9La0.1Ti
0.975O3薄膜(PLT薄膜)を形成した。
には、高周波マグネトロンスパッタ装置を用いた。配向
性薄膜形成基板14は、厚さ0.2mmのステンレスマ
スクを用い、ステンレス製基板ホルダに取り付けて成膜
した。ターゲットは、PbO,La2O3,TiO2 の粉
末を混合し、銅製皿に入れて用いた。粉末の混合比は、
膜組成に対してPbOを20mol%過剰に加えた。スパッ
タの成膜条件は、基板温度が600℃、スパッタガスは
Ar(90%)と酸素(10%)の混合ガスで、ガス圧
は0.9Pa、高周波投入パワー密度は2.0W/cm2
(13.56MHz)であった。膜の厚さは3μmであ
った。
4上に作製した強誘電体PLT薄膜の配向性を示す。
薄膜の<100>方向への配向率であり、(数2)で定
義される。
は、それぞれPLTの(001)、(100)反射の強
度を示す。(表3)の結果より、本発明の実施例におけ
る配向性薄膜形成基板を用いることにより、基板11が
非晶質の場合でも、薄膜の結晶軸の方向が制御できるこ
とが明かとなった。
石英、Si(100)、ソーダライムガラス、結晶化ガ
ラス、ステンレス金属を用いた場合について述べたが、
他の基板材料についても有効であることは明かである。
また、電極膜の材料としてPtの場合について述べた
が、他の電極材料についても有効であることは明かであ
る。さらに、電極膜の作製方法として、高周波マグネト
ロンスパッタ法の場合について述べたが、他の成膜方法
についても有効であることは明かである。また、実施例
3において、本実施例の配向性薄膜形成用基板14上に
形成した配向性薄膜として、強誘電体であるPb0.9L
a0.1Ti0.975O3薄膜を形成した場合について記述し
たが、本実施例が、他の配向性強誘電体薄膜や、強誘電
体以外の配向性薄膜の形成においても有効であることは
明かである。
板は、基板と、その上に形成された配向性酸化物下地膜
と、さらに前記配向性酸化物下地膜の上に形成された配
向性電極膜とからなることを特徴としている。
方法は、基板上に、スパッタ法によって(100)面配
向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形成
し、さらにその上にスパッタ法によって配向性電極膜を
形成することを特徴としている。
製方法は、基板上に、有機金属錯体の蒸気を原料ガスと
するプラズマ励起MO−CVD法によって(100)面
配向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形成
し、さらにその上にスパッタ法によって配向性電極膜を
形成することを特徴としている。
るいは、有機金属錯体を原料ガスに用いたプラズマ励起
MO−CVD法によって、基板にかかわらず、容易に基
板に対して垂直方向に<100>軸が配向したNaCl
結晶構造の各種の酸化物下地膜が得られる。これらの方
法を用いると、非晶質材料を含むいろいろな材料の基板
の上に<100>軸が結晶配向したMgOあるいは、N
iO薄膜を形成でき、この上に電極膜を形成することに
より、<100>軸が結晶配向した電極膜が形成でき
る。従って、配向性酸化物下地膜を形成する基板の選択
が可能であり、製造コストを大幅に減少させることが可
能な点で有効である。
VD装置の構成図
折パターン図
Claims (9)
- 【請求項1】基板と、その上に形成された配向性酸化物
下地膜と、さらに前記配向性酸化物下地膜の上に形成さ
れた配向性電極膜とからなることを特徴とする配向性薄
膜形成基板。 - 【請求項2】配向性酸化物下地膜が、NaCl型結晶構
造の酸化物薄膜であることを特徴とする請求項1記載の
配向性薄膜形成基板。 - 【請求項3】配向性酸化物下地膜が、(100)面配向
したNaCl型結晶構造の酸化物薄膜であることを特徴
とする請求項1記載の配向性薄膜形成基板。 - 【請求項4】配向性酸化物下地膜が、(100)面配向
したMgO薄膜であることを特徴とする請求項1記載の
配向性薄膜形成基板。 - 【請求項5】配向性酸化物下地膜が、(100)面配向
したNiO薄膜であることを特徴とする請求項1記載の
配向性薄膜形成基板。 - 【請求項6】配向性電極膜が、Pt薄膜であることを特
徴とする請求項1記載の配向性薄膜形成基板。 - 【請求項7】配向性電極膜が、(100)面配向したP
t薄膜であることを特徴とする請求項1記載の配向性薄
膜形成基板。 - 【請求項8】基板上に、スパッタ法によって(100)
面配向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形
成し、さらにその上にスパッタ法によって配向性電極膜
を形成することを特徴とする配向性薄膜形成基板の作製
方法。 - 【請求項9】基板上に、有機金属錯体の蒸気を原料ガス
とするプラズマ励起MO−CVD法によって(100)
面配向のNaCl型結晶構造の配向性酸化物下地膜を形
成し、さらにその上にスパッタ法によって配向性電極膜
を形成することを特徴とする配向性薄膜形成基板の作製
方法。
Priority Applications (1)
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