JPH11314999A - Production of oxide thin film - Google Patents

Production of oxide thin film

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JPH11314999A
JPH11314999A JP13595898A JP13595898A JPH11314999A JP H11314999 A JPH11314999 A JP H11314999A JP 13595898 A JP13595898 A JP 13595898A JP 13595898 A JP13595898 A JP 13595898A JP H11314999 A JPH11314999 A JP H11314999A
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JP
Japan
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substrate
thin film
film
plasma
temperature
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Application number
JP13595898A
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Japanese (ja)
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Tadaaki Kuno
忠昭 久野
Eiji Natori
栄治 名取
Satoru Miyashita
悟 宮下
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a thin film with homogeneous film property and good crystallinity by depositing an oxide with low temp. thermal plasma on a substrate maintained at a desired temp. by heating, then growing the oxide thin film in an amorphous state. heat-treating the film at a temp. higher than the objective temp. to crystallize the oxide thin film. SOLUTION: For example, when lead zirconate titanate (PZT) is produced, a silicon substrate in a vacuum chamber is heated to about 500 deg.C and the chamber is evacuated, while argon gas is supplied and a high frequency current is applied to produce low pressure glow plasma. Diethanolamine in which titanium isopropoxide, lead acetate trihydrate and zirconium acetylacetate are dissolved, and butylcellosolve are atomized and injected into the oxygen plasma to form a film while the substrate is kept at about 500 deg.C. Thus, a uniform noncrystalline PZT thin film is formed. Then the silicon substrate is annealed in a vacuum annealing furnace at about 800 deg.C to change the PZT thin film in a noncrystalline state into a good crystal state.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱プラズマを使用
して基板上に薄膜を形成する薄膜の製造方法に関する。
特に、酸化物の薄膜を用いる薄膜電子デバイスや、剛性
と耐久性のある微小構造体の製造に好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a thin film on a substrate by using thermal plasma.
In particular, it is suitable for manufacturing a thin film electronic device using an oxide thin film or a microstructure having rigidity and durability.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱プラズマを用いた成膜方法としては、
熱プラズマCVD法(特開平5−320916)、プラ
ズマSPRAY−ICP法(Appl.Phys.Lett.14(1990.1
0)1452)、プラズマフラッシュ蒸発法(特開平5−31
1462)、プラズマ溶射法(特開平6−76986)
の4方式が知られている。いずれも、被成膜物質を含む
原料を熱プラズマ中に供給し、これを蒸発、分解あるい
は熱プラズマ中で反応させて、基板上に酸化物薄膜を形
成するものである。
2. Description of the Related Art A film forming method using thermal plasma includes:
Thermal plasma CVD (JP-A-5-320916), plasma SPRAY-ICP (Appl. Phys. Lett. 14 (1990.1)
0) 1452), plasma flash evaporation method (Japanese Patent Laid-Open No. 5-31)
1462), plasma spraying method (Japanese Patent Laid-Open No. 6-67986)
Are known. In each case, a raw material containing a substance to be formed is supplied into thermal plasma, and the raw material is evaporated, decomposed, or reacted in thermal plasma to form an oxide thin film on a substrate.

【0003】図1は、熱プラズマによる成膜法を実行す
る成膜装置である。ここで、基板ホルダ107には、図
2に示すような、冷却機構が設けられている。この装置
を用いて基板にPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を成膜
する場合について説明する。プラズマ装置内に基板を配
置し、誘導加熱コイル125と冷却機構を作動させて基
板温度700℃になるように加熱保持する。700℃に
達した後、熱プラズマ照射を開始し、プラズマ成膜を開
始する。プラズマ照射後はプラズマの持つエネルギによ
る基板温度の上昇を吸収すべく誘導加熱コイル出力を低
下させて基板温度を700℃に保持している。所定時間
プラズマ成膜を行って基板上に酸化物薄膜を形成する。
FIG. 1 shows a film forming apparatus for executing a film forming method using thermal plasma. Here, the substrate holder 107 is provided with a cooling mechanism as shown in FIG. A case in which PZT (lead zirconate titanate) is formed on a substrate using this apparatus will be described. The substrate is placed in the plasma device, and the induction heating coil 125 and the cooling mechanism are operated to heat and hold the substrate at a temperature of 700 ° C. After the temperature reaches 700 ° C., thermal plasma irradiation is started to start plasma film formation. After the plasma irradiation, the output of the induction heating coil is lowered to absorb the rise in the substrate temperature due to the energy of the plasma, and the substrate temperature is maintained at 700 ° C. An oxide thin film is formed on the substrate by performing plasma deposition for a predetermined time.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、成膜開始段階において、強力なエネルギを有
する熱プラズマの照射が開始されると、誘導加熱コイル
の出力調整が追従できず、30℃程度の温度上昇を引き
起こし、その後、700℃に落ち着く。
However, in the conventional method, when the irradiation of thermal plasma having strong energy is started in the film formation start stage, the output adjustment of the induction heating coil cannot follow, and the temperature of 30 ° C. Causes a moderate temperature rise and then settles to 700 ° C.

【0005】この温度変化は、基板表面に最初に形成さ
れるPZTの結晶性、膜特性に影響を及ぼす。最初に堆
積される膜材料の結晶性等の品質は、その上に成長する
膜全体の品質に影響する。非常に結晶性の良い膜が必要
とされる電子部品、例えば、超伝導材料等ではこれが無
視できない。更に、通常の成膜法、例えば、スバッタ法
は、熱的に非平衡状態であるのに対し、熱プラズマは平
衡状態であるため、熱プラズマ中で原料物質は高エネル
ギ原子状態となっている。このため、基板上で非常に結
晶化しやすい特徴を持っている。
This change in temperature affects the crystallinity and film characteristics of PZT formed first on the substrate surface. The quality, such as crystallinity, of the initially deposited film material affects the quality of the overall film grown thereon. This is not negligible for electronic components that require films with very good crystallinity, such as superconducting materials. Further, in the ordinary film forming method, for example, the sbutter method is in a thermal non-equilibrium state, whereas the thermal plasma is in an equilibrium state, so that the raw material is in a high energy atomic state in the thermal plasma. . For this reason, it has a feature that crystallizes very easily on the substrate.

【0006】このように、基板温度管理は、熱プラズマ
法において、特に、重要である。
[0006] As described above, the substrate temperature control is particularly important in the thermal plasma method.

【0007】よって、本発明の目的は、熱プラズマ成膜
を開始する際、プラズマ照射によって不可避的に生ずる
基板温度の変化の影響を回避可能な、熱プラズマ成膜に
よる酸化物薄膜の製造方法を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an oxide thin film by thermal plasma film formation, which can avoid the influence of a change in substrate temperature inevitably caused by plasma irradiation when starting thermal plasma film formation. To provide.

【0008】また、本発明の他の目的は、均質な膜質
で、酸素欠損も少ない結晶性の良好な成膜が得られる酸
化物薄膜の製造方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a method for producing an oxide thin film having a uniform film quality, less oxygen deficiency and good crystallinity.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の酸化物薄膜の製造方法は、熱プラズマ法に
よって基板に酸化物の薄膜を形成する酸化物薄膜の製造
方法において、薄膜を形成すべき基板を次工程の目標温
度にまで加熱する基板加熱工程と、上記基板を上記目標
温度に維持しつつ熱プラズマ法によって上記基板に酸化
物を堆積し、酸化物薄膜を非晶成長させる低温熱プラズ
マ工程と、上記基板を上記目標温度よりも高い温度で熱
処理して上記酸化物薄膜を結晶化する熱処理工程と、を
含む。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing an oxide thin film according to the present invention comprises a method of forming an oxide thin film on a substrate by a thermal plasma method. A substrate heating step of heating a substrate to be formed to a target temperature of the next step; and depositing an oxide on the substrate by a thermal plasma method while maintaining the substrate at the target temperature, and growing an oxide thin film in an amorphous state. A low-temperature thermal plasma process; and a heat-treating process for heat-treating the substrate at a temperature higher than the target temperature to crystallize the oxide thin film.

【0010】これによって、酸化物の最適な成膜条件で
酸化物薄膜を形成し、最適な熱処理条件で酸化物薄膜を
高結晶性膜に変えることが可能となる。また、低温熱プ
ラズマ工程において多少の温度変化があっても、後の熱
処理工程における結晶化に与える影響は少ない。よっ
て、熱プラズマ法によるより良質な酸化物薄膜の形成が
可能となる。なお、低温熱プラズマ工程は、熱プラズマ
自体の温度が低いことを意味するものではなく、熱プラ
ズマ成膜工程において基板温度が従来例(700℃)よ
りも相対的に低い温度に維持されることを意味する。
[0010] This makes it possible to form an oxide thin film under optimum conditions for forming an oxide and to convert the oxide thin film into a highly crystalline film under optimum heat treatment conditions. Further, even if there is some temperature change in the low-temperature thermal plasma process, the influence on the crystallization in the subsequent heat treatment process is small. Therefore, a higher quality oxide thin film can be formed by the thermal plasma method. Note that the low-temperature thermal plasma process does not mean that the temperature of the thermal plasma itself is low, and that the substrate temperature is maintained at a relatively lower temperature than the conventional example (700 ° C.) in the thermal plasma film forming process. Means

【0011】ここで、最適な成膜条件は、例えば、原料
溶液の溶媒有機成分が完全に除去され、基板に付着しな
い、かつ求める原料成分の非晶質膜が得られることであ
る。また、最適な熱処理条件とは、例えば、必要とする
機能性を実現する結晶を均質に膜内に形成し得ることで
ある。
Here, the optimum film forming conditions are, for example, that the solvent organic component of the raw material solution is completely removed, and that the amorphous film of the desired raw material component does not adhere to the substrate. The optimum heat treatment condition is, for example, that a crystal that realizes the required functionality can be uniformly formed in the film.

【0012】好ましくは、上記低温熱プラズマ工程と上
記熱処理工程とを熱プラズマ装置の同一容器内で連続的
に行う。
Preferably, the low-temperature thermal plasma process and the heat treatment process are performed continuously in the same vessel of the thermal plasma apparatus.

【0013】それにより、プロセスが連続し、成膜の結
晶性の向上が期待できる。また、生産性が向上する。
As a result, the process is continuous, and improvement in the crystallinity of the film can be expected. Further, productivity is improved.

【0014】上記酸化物膜がPZT(チタン酸ジルコン
酸鉛)膜の場合、好ましくは、成膜における基板の目標
温度は100〜500℃、熱処理温度は500〜900
℃である。より好ましくは、目標温度は200〜500
℃、熱処理温度は600〜800℃である。
When the oxide film is a PZT (lead zirconate titanate) film, preferably, the target temperature of the substrate in the film formation is 100 to 500 ° C., and the heat treatment temperature is 500 to 900.
° C. More preferably, the target temperature is between 200 and 500
℃, heat treatment temperature is 600-800 ℃.

【0015】上記酸化物膜がITO(インジウムティン
オキサイド)膜の場合、好ましくは、目標温度は100
〜400℃、熱処理温度は400〜700℃である。よ
り好ましくは、目標温度は200〜400℃、熱処理温
度は400〜600℃である。
When the oxide film is an ITO (indium tin oxide) film, the target temperature is preferably 100.
To 400 ° C., and the heat treatment temperature is 400 to 700 ° C. More preferably, the target temperature is 200 to 400C and the heat treatment temperature is 400 to 600C.

【0016】上記酸化物膜がYSZ(安定化ジルコニ
ア)膜の場合、好ましくは、目標温度は200〜800
℃、熱処理温度は1000〜1300℃である。より好
ましくは、目標温度は300〜700℃、熱処理温度は
約1100〜1300℃である。
When the oxide film is a YSZ (stabilized zirconia) film, the target temperature is preferably 200 to 800.
℃, heat treatment temperature is 1000 ~ 1300 ℃. More preferably, the target temperature is 300-700C and the heat treatment temperature is about 1100-1300C.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】熱プラズマは、1万度以上の高温
であり、熱プラズマ中に供給された原料物質は分解ある
いは蒸発し、成分金属は酸化物原子状、あるいは更に活
性化されて電離状状態となった後、基板上に酸化物とし
て蒸着される。そのため、成膜中にクラックを生じるこ
となく、連続的な厚膜化が可能である。また、基板上へ
の成膜速度も速い。本発明は、この高速かつ厚膜化が可
能である特徴を利用した熱プラズマ方式の酸化物薄膜の
形成において、高エネルギ熱プラズマにより引き起こさ
れる成膜時の基板温度ズレによる酸化物薄膜の結晶性や
膜特性の劣化の防止を図るものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Thermal plasma has a high temperature of 10,000 ° C. or more. The raw material supplied into the thermal plasma decomposes or evaporates, and the component metals are in the form of oxide atoms or are further activated and ionized. After being in the state, it is deposited as an oxide on the substrate. Therefore, it is possible to continuously increase the film thickness without generating cracks during film formation. Further, the film formation speed on the substrate is high. The present invention relates to a method of forming a thin film of a thermal plasma method utilizing the feature that a high-speed and thick film can be formed. And to prevent deterioration of the film characteristics.

【0018】まず、図1を参照して熱プラズマによる成
膜法を実行する成膜装置について説明する。成膜装置
は、成膜プロセスを行う真空チャンバ104を備えてい
る。真空チャンバ104の下部には、プラズマトーチ部
102がある。この部分には、高周波発振器123によ
って励振される加熱コイル124が設けられ、この中に
熱プラズマ103が発生する。プラズマを生成するアル
ゴンガス、酸素は、ガス源100よりプラズマトーチ部
102に供給される。成膜原料は、微粉末原料を供給す
る粉末供給装置121、液体原料を供給する液体供給装
置122によって、原料供給口101から真空チャンバ
104に導入される。真空チャンバ104に入った成膜
原料は、熱プラズマ103及びその上部に発生するプラ
ズマテールフレーム部105を通って基板106上に堆
積され、酸化物膜が形成される。基板106は、基板ホ
ルダ107上に固定されている。
First, a film forming apparatus for executing a film forming method using thermal plasma will be described with reference to FIG. The film forming apparatus includes a vacuum chamber 104 for performing a film forming process. A plasma torch section 102 is provided below the vacuum chamber 104. In this portion, a heating coil 124 excited by a high-frequency oscillator 123 is provided, and a thermal plasma 103 is generated therein. Argon gas and oxygen for generating plasma are supplied from a gas source 100 to a plasma torch unit 102. The film forming raw material is introduced into the vacuum chamber 104 from the raw material supply port 101 by a powder supply device 121 for supplying a fine powder raw material and a liquid supply device 122 for supplying a liquid raw material. The film-forming raw material that has entered the vacuum chamber 104 is deposited on the substrate 106 through the thermal plasma 103 and the plasma tail frame portion 105 generated thereon, thereby forming an oxide film. The substrate 106 is fixed on a substrate holder 107.

【0019】図2に示すように、基板ホルダ107に
は、誘導加熱コイル125及び冷却機構が設けられてい
る。誘導加熱コイル125は誘導加熱電源131によっ
て励起され、基板を加熱する。冷却機構は、冷却剤、例
えば、冷却水を循環することによって基板ホルダ107
を冷却する。温度調整部132は、誘導加熱電源131
及び冷却機構を適切に制御して基板106の温度制御を
行う。すなわち、基板の目標温度への加熱や、基板の目
標温度の維持、予めプログラムされた温度プロファイル
での基板温度の制御等が含まれる。余分なガスは、真空
チャンバ104の出口108から、ガス冷却器141及
びフィルタ142を経て図示しない回収容器に戻され
る。真空チャンバ104内のガスは真空ポンプ143に
よって排気され、所定の気圧に維持される。このような
装置によって、熱プラズマ法による酸化物膜の成膜が行
われる。
As shown in FIG. 2, the substrate holder 107 is provided with an induction heating coil 125 and a cooling mechanism. The induction heating coil 125 is excited by the induction heating power supply 131 to heat the substrate. The cooling mechanism circulates a coolant, for example, cooling water, so that the substrate holder 107
To cool. The temperature adjustment unit 132 includes an induction heating power supply 131.
The temperature of the substrate 106 is controlled by appropriately controlling the cooling mechanism. That is, this includes heating the substrate to the target temperature, maintaining the target temperature of the substrate, controlling the substrate temperature with a preprogrammed temperature profile, and the like. Excess gas is returned from the outlet 108 of the vacuum chamber 104 to a collection container (not shown) via the gas cooler 141 and the filter 142. The gas in the vacuum chamber 104 is exhausted by the vacuum pump 143 and is maintained at a predetermined pressure. With such an apparatus, an oxide film is formed by a thermal plasma method.

【0020】(実施例1)次に、本発明の実施の形態に
係る特徴的な成膜過程について図3を参照して説明す
る。まず、酸化物がPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)で
ある場合について説明する。
(Example 1) Next, a characteristic film forming process according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, the case where the oxide is PZT (lead zirconate titanate) will be described.

【0021】真空チャンバ104内に、白金電極をスパ
ッタ法で成膜したシリコン基板106を置き、500℃
に加熱した。チャンバ104およびプラズマトーチ部1
02を1torr以下に排気し、プラズマ発生用のアルゴン
ガスをトーチ内に供給した。同時に10kW、4MHz
程度の高周波電流を流し、低圧グロープラズマを発生さ
せた。
A silicon substrate 106 on which a platinum electrode is formed by a sputtering method is placed in a vacuum chamber 104 at 500 ° C.
Heated. Chamber 104 and plasma torch unit 1
02 was evacuated to 1 torr or less, and argon gas for plasma generation was supplied into the torch. 10kW, 4MHz at the same time
A low-frequency glow plasma was generated by passing a high-frequency current of the order.

【0022】次に、チャンバ104およびプラズマトー
チ部102内の圧力を徐々に下げ、200torr前後の一
定圧力とし、プラズマガス源をアルゴンから酸素に置換
させると同時に、50kW程度に高周波電力を上げ、熱
プラズマをトーチ部102およびチャンバ104内に発
生させた。
Next, the pressure in the chamber 104 and the plasma torch section 102 is gradually reduced to a constant pressure of about 200 torr, the plasma gas source is replaced with oxygen and the high-frequency power is increased to about 50 kW at the same time. Plasma was generated in the torch part 102 and the chamber 104.

【0023】チタニウムイソプロポキシドをジエタノー
ルアミンとブチルセロソルブに溶解させた後、チタンに
対し2倍モルの酢酸鉛3水和物と等モルのジルコニウム
アセチルアセテートを添加し、溶解させた。得られたオ
ルガノゾルを定量送液ポンプで毎分0.5mlの速度で送
液し、酸素プラズマ中に霧状にして注入した。酸素プラ
ズマは常時安定しており、基板を500℃に保ちながら
10分間成膜した。成膜における基板の好ましい温度範
囲は、100〜500℃であり、より好ましい温度範囲
は200〜500℃である。ここで、成膜の好ましい温
度範囲とは、原料溶液の有機成分の基板への付着が許容
範囲であり、かつ求める原料成分の非晶質膜が形成され
る温度範囲である。また、より好ましい温度とは、原料
溶液の溶媒成分が完全に除去されて基板に付着せず、か
つ求める原料成分の非晶質膜が形成される温度である。
好適な温度範囲内では有機残基の薄膜中への残存は確認
されなかった。
After dissolving titanium isopropoxide in diethanolamine and butyl cellosolve, 2 parts by mole of lead acetate trihydrate and an equimolar amount of zirconium acetyl acetate with respect to titanium were added and dissolved. The obtained organosol was fed at a rate of 0.5 ml / min by a constant-rate feeding pump, and was injected into oxygen plasma in a mist state. Oxygen plasma was always stable, and a film was formed for 10 minutes while keeping the substrate at 500 ° C. The preferred temperature range of the substrate during film formation is 100 to 500 ° C, and the more preferred temperature range is 200 to 500 ° C. Here, the preferable temperature range of the film formation is a temperature range in which the organic component of the raw material solution is allowed to adhere to the substrate and an amorphous film of the desired raw material component is formed. The more preferable temperature is a temperature at which the solvent component of the raw material solution is completely removed and does not adhere to the substrate, and an amorphous film of the desired raw material component is formed.
No organic residues remained in the thin film within the suitable temperature range.

【0024】シリコン基板106を大気中に取り出し、
均一に成膜されたチタン酸ジルコン酸鉛の薄膜を評価し
た。電子顕微鏡観察では非結晶状態が確認された。
The silicon substrate 106 is taken out into the atmosphere,
The uniformly formed thin film of lead zirconate titanate was evaluated. An electron microscope observation confirmed an amorphous state.

【0025】その後、このシリコン基板16を真空アニ
ール炉で800℃で1分間アニールを行った。アニール
における立ち上がり(加熱)、立ち下がり(冷却)の温
度勾配は、材料や目的とする性能に応じて適宜に定め
る。例えば、基板温度を室温から800℃まで2秒で立
ち上げた場合は、得られた酸化膜の比誘電率は1200
と高い。また、基板温度を室温から800℃まで10秒
で立ち上げた場合には、酸化膜の比誘電率は1000と
少し下がる。
Thereafter, the silicon substrate 16 was annealed in a vacuum annealing furnace at 800 ° C. for 1 minute. The temperature gradient of rising (heating) and falling (cooling) in annealing is appropriately determined according to the material and the intended performance. For example, when the substrate temperature is raised from room temperature to 800 ° C. in 2 seconds, the relative permittivity of the obtained oxide film is 1200.
And high. When the substrate temperature is raised from room temperature to 800 ° C. in 10 seconds, the relative dielectric constant of the oxide film is slightly lowered to 1,000.

【0026】チタン酸ジルコン酸鉛の薄膜を評価した。
膜厚は1μmで、電子顕微鏡観察では良好な結晶状態が
確認された。X線解析で十分に結晶化されていることが
わかった。結晶は、ペロブスカイト型結晶構造であるこ
とが判った。真空蒸着法でアルミニウム電極薄膜を形成
し、基板上の白金電極との間で電気特性を測定したとこ
ろ、比誘電率1200を示し、D−Eヒシテリシスを測
定すると高い抗電界と、高い残留分極を持つ強誘電体薄
膜であることがわかった。
The thin film of lead zirconate titanate was evaluated.
The film thickness was 1 μm, and a favorable crystal state was confirmed by observation with an electron microscope. X-ray analysis showed that the crystals were sufficiently crystallized. The crystal was found to have a perovskite-type crystal structure. An aluminum electrode thin film was formed by a vacuum evaporation method, and the electrical characteristics were measured between the aluminum electrode thin film and a platinum electrode on the substrate. As a result, a relative dielectric constant of 1200 was obtained. When the DE hysteresis was measured, a high coercive electric field and a high residual polarization were observed. It was found to be a ferroelectric thin film having.

【0027】(実施例2)次に、酸化物が、TFTの透
明電極として使用されるITO(インジウムティンオキ
サイド)である場合について図4を参照して説明する。
(Embodiment 2) Next, a case where the oxide is ITO (indium tin oxide) used as a transparent electrode of a TFT will be described with reference to FIG.

【0028】真空チャンバー104内に、ガラス基板1
06を置き、これを300℃に加熱した。チャンバ10
4およびプラズマトーチ102を1torr以下に排気し、
プラズマ発生用のアルゴンガスをトーチ102内に供給
した。同時に10kW、4MHz程度の高周波電流を流
し、低圧グロープラズマを発生させた。次に、チャンバ
104およびプラズマトーチ102内の圧力を徐々に下
げ、200torr前後の一定圧力とし、プラズマガス源を
アルゴンから酸素に置換させると同時に、50kW程度
に高周波電力を上げ、熱プラズマをトーチおよびチャン
バー内に発生させた。
The glass substrate 1 is placed in the vacuum chamber 104.
06, which was heated to 300 ° C. Chamber 10
4 and the plasma torch 102 are evacuated to 1 torr or less,
Argon gas for plasma generation was supplied into the torch 102. At the same time, a high-frequency current of about 10 kW and 4 MHz was passed to generate low-pressure glow plasma. Next, the pressure in the chamber 104 and the plasma torch 102 is gradually reduced to a constant pressure of about 200 torr, and the plasma gas source is replaced with oxygen. At the same time, the high-frequency power is increased to about 50 kW to convert the thermal plasma into the torch and Generated in the chamber.

【0029】ベンゼンに5重量部の2−エチルヘキサン
酸インジウムを溶解させ、インジウムに対し2モル%と
なる量の2−エチルヘキサン酸第一スズを添加した。得
られたオルガノゾルを、定量送液ポンプで毎分0.5ml
の速度で送液し、酸素プラズマ中に霧状にして注入し
た。酸素プラズマは常時安定しており、基板を300℃
に保ちながら10分間成膜した。
5 parts by weight of indium 2-ethylhexanoate was dissolved in benzene, and stannous 2-ethylhexanoate was added in an amount of 2 mol% with respect to indium. The obtained organosol was added at a rate of 0.5 ml
The solution was fed at a rate of, and injected as a mist into the oxygen plasma. The oxygen plasma is always stable, and the substrate is kept at 300 ° C.
The film was formed for 10 minutes while maintaining the temperature.

【0030】ガラス基板を大気中に取り出し、均一に成
膜されたITO薄膜を評価した。膜厚は0.5μmで、
電子顕微鏡観察では非晶質の膜が確認された。X線解析
で結晶化が不十分であることがわかり、電気特性を測定
したところ、比抵抗は5*10-3Ωcmと高い値を示し
た。
The glass substrate was taken out into the atmosphere, and the uniformly formed ITO thin film was evaluated. The film thickness is 0.5 μm,
An electron microscope observation confirmed an amorphous film. X-ray analysis showed that crystallization was insufficient, and the electrical characteristics were measured. As a result, the specific resistance showed a high value of 5 * 10 −3 Ωcm.

【0031】次に、このガラス基板を真空アニール炉に
入れ、550℃で1分間、真空アニールを行ったとこ
ろ、ITO薄膜は結晶化し、導電性は向上し、比抵抗は
1*10-4Ωcmに減少した。また、可視域での透過率が
高く、透明電極として十分応用可能であった。
Next, when the glass substrate was placed in a vacuum annealing furnace and vacuum-annealed at 550 ° C. for 1 minute, the ITO thin film was crystallized, the conductivity was improved, and the specific resistance was 1 * 10 −4 Ωcm. Decreased to. Further, the transmittance in the visible region was high, and it was sufficiently applicable as a transparent electrode.

【0032】この成膜を繰り返し行っても、チャンバー
内の腐食は全く発生せず、安定的な製造が可能であっ
た。また、腐食による不純物の薄膜への混入も、検出さ
れなかった。
Even if this film formation was repeated, no corrosion occurred in the chamber, and stable production was possible. In addition, no contamination of the thin film with impurities due to corrosion was detected.

【0033】(実施例3)超伝導デバイスの材料である
YSZ(安定化ジルコニア)の薄膜の形成例について図
5を参集して説明する。
Example 3 An example of forming a thin film of YSZ (stabilized zirconia), which is a material of a superconducting device, will be described with reference to FIG.

【0034】真空チャンバ104内に、ニッケル基板1
06を置き、500℃に加熱した。チャンバ104およ
びプラズマトーチ部102を1torr以下に排気し、プラ
ズマ発生用のアルゴンガスをトーチ部102内に供給し
た。同時に10kW、4MHz程度の高周波電流を流
し、低圧グロープラズマを発生させた。次に、チャンバ
104およびプラズマトーチ部102内の圧力を徐々に
下げ、200torrの一定圧力とし、プラズマガス源をア
ルゴンから酸素に置換させると同時に、50kW程度に
高周波電力を上げ、熱プラズマをトーチ部102および
チャンバ104内に発生させた。
The nickel substrate 1 is placed in the vacuum chamber 104.
06 and heated to 500 ° C. The chamber 104 and the plasma torch unit 102 were evacuated to 1 torr or less, and argon gas for plasma generation was supplied into the torch unit 102. At the same time, a high-frequency current of about 10 kW and 4 MHz was passed to generate low-pressure glow plasma. Next, the pressure in the chamber 104 and the plasma torch unit 102 is gradually reduced to a constant pressure of 200 torr, the plasma gas source is replaced with oxygen, and at the same time, the high-frequency power is increased to about 50 kW to change the thermal plasma to the torch unit. 102 and in chamber 104.

【0035】ジルコニウムアセチルアセトナートと、ジ
ルコニウムに対し5モル%となる量のイットリウムアセ
チルアセトナートを酢酸とエチルカルビトールに溶解さ
せ、トリエチレングリコールを少量添加した。得られた
オルガノゾルを、定量送液ポンプで毎分5mlの速度で送
液し、酸素プラズマ中に霧状にして注入した。酸素プラ
ズマは常時安定しており、基板を500℃に保ちながら
20分間成膜した。
Zirconium acetylacetonate and yttrium acetylacetonate in an amount of 5 mol% based on zirconium were dissolved in acetic acid and ethyl carbitol, and a small amount of triethylene glycol was added. The obtained organosol was fed at a rate of 5 ml / min by a constant-rate feed pump, and was injected into oxygen plasma in the form of a mist. The oxygen plasma was always stable, and the film was formed for 20 minutes while keeping the substrate at 500 ° C.

【0036】ニッケル基板106を大気中に取り出し、
均一に成膜されたジルコニアの薄膜を評価した。膜厚は
30μmで、ニッケル基板から剥離することができた。
X線解析では単斜晶を示していた。
The nickel substrate 106 is taken out into the atmosphere,
The uniformly formed zirconia thin film was evaluated. The film had a thickness of 30 μm and could be peeled off from the nickel substrate.
X-ray analysis showed a monoclinic system.

【0037】次に、真空アニール炉で1200℃で1分
間加熱した後、徐々に冷却した。再びX線解析を行った
ところ、立方晶の安定化ジルコニアになっていることが
わかった。大変緻密な構造をしており、高いヤング率
と、高い環境信頼性・耐薬品性を示した。
Next, after heating at 1200 ° C. for 1 minute in a vacuum annealing furnace, the system was gradually cooled. When X-ray analysis was performed again, it was found to be cubic stabilized zirconia. It has a very dense structure, showing high Young's modulus and high environmental reliability and chemical resistance.

【0038】この成膜を繰り返し行っても、チャンバー
内の腐食は全く発生せず、安定的な製造が可能であっ
た。また、腐食による不純物の薄膜への混入も、検出さ
れなかった。
Even if this film formation was repeated, no corrosion occurred in the chamber, and stable production was possible. In addition, no contamination of the thin film with impurities due to corrosion was detected.

【0039】上述した実施例1乃至3においては、基板
のアニールを、熱プラズマ装置から取り出して、別途の
アニール炉で行っている。これを、基板ホルダ107に
設けられた基板の加熱装置を用いて行うことができる。
図6乃至図8は、それぞれPZT、ITO、およびYS
Zの場合を示している。このようにすると、同一容器内
で熱プラズマによる成膜工程とこの膜の熱処理工程とを
連続的に行うことができる。この場合には、膜の純度及
び製造コストの低減が図られて好ましい。
In the first to third embodiments described above, the annealing of the substrate is taken out of the thermal plasma apparatus and performed in a separate annealing furnace. This can be performed using a substrate heating device provided in the substrate holder 107.
6 to 8 show PZT, ITO, and YS, respectively.
The case of Z is shown. This makes it possible to continuously perform the film forming step by thermal plasma and the heat treatment step of this film in the same container. In this case, the purity of the film and the production cost are preferably reduced.

【0040】上述した実施例では、熱プラズマ法による
成膜条件を材料に合わせて設定でき、その後、熱処理に
よって堆積膜を最適な結晶条件で結晶化を図ることが可
能である。このため、原料溶液の溶媒有機成分が完全に
除去され、基板に付着しないような条件で酸化物の堆積
工程を行うことができる。そして、この場合に生じる非
晶質膜や不十分な性能の結晶膜は、次工程の熱処理によ
って求める機能性を発現する均質な結晶になる。
In the above-described embodiment, the film forming conditions by the thermal plasma method can be set according to the material, and thereafter, the deposited film can be crystallized by the heat treatment under the optimum crystallization conditions. Therefore, the oxide deposition step can be performed under such a condition that the solvent organic component of the raw material solution is completely removed and does not adhere to the substrate. Then, the amorphous film or the crystal film with insufficient performance generated in this case becomes a homogeneous crystal exhibiting the functionality required by the heat treatment in the next step.

【0041】なお、上記実施例においては、酸化物とし
て、PZT(ピエゾ素子)、ITO(透明電極)、YS
Z(超伝導材料)の例を上げたが、本発明は、これに限
定されるものではない。本発明は、熱プラズマ法を用い
る各種酸化物薄膜の成膜に適用可能である。
In the above embodiment, PZT (piezo element), ITO (transparent electrode), YS
Although the example of Z (superconducting material) is given, the present invention is not limited to this. The present invention is applicable to the formation of various oxide thin films using a thermal plasma method.

【0042】また、薄膜という表現は膜厚を特定の厚さ
に限定するものではない。熱プラズマ法は高速かつ厚膜
の成膜に好適である。
The expression "thin film" does not limit the film thickness to a specific thickness. The thermal plasma method is suitable for high-speed and thick film formation.

【0043】また、原料系としてオルガノゾル液の場合
について述べたがこれ以外のもの、例えば、粉末系原料
を利用することもできる。
Although the case of an organosol liquid has been described as a raw material system, other materials such as a powder-based raw material can be used.

【0044】更に、本発明は、熱プラズマ法を用いる薄
膜の成膜に適用可能であり、結果として生成される、酸
化物薄膜と均等な物質は本発明の範囲内である。
Furthermore, the present invention is applicable to the deposition of thin films using a thermal plasma method, and the resulting materials equivalent to oxide thin films are within the scope of the present invention.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱プラズマ法による高結晶性成膜を、先行技術のように
1つの熱プラズマ工程で行うのではなく、熱プラズマに
よる堆積と、その後の結晶化とに工程を分けて行うこと
としたので、成膜材料の堆積条件と結晶条件とをそれぞ
れ満たすことが可能となる。この結果、熱プラズマ法に
よるプロセス開始の際の、基板へのプラズマ照射によっ
て不可避的に生ずる基板温度の変化の影響や堆積プロセ
ス中の温度変化による影響を可及的に解消することがで
き、良好な膜形成が可能となる。
As described above, according to the present invention,
Since the high-crystalline film formation by the thermal plasma method is not performed in one thermal plasma process as in the prior art, the deposition is performed by thermal plasma and the subsequent crystallization is performed separately. It becomes possible to satisfy the deposition conditions and the crystallization conditions of the film material, respectively. As a result, at the start of the process by the thermal plasma method, the influence of the change in the substrate temperature inevitably caused by the plasma irradiation on the substrate and the influence of the temperature change during the deposition process can be eliminated as much as possible. It is possible to form a thin film.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、熱プラズマによる酸化物成膜の工程を
行う装置を説明する説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an apparatus that performs an oxide film formation process using thermal plasma.

【図2】図2は、基板ホルダを説明する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a substrate holder.

【図3】図3は、PZTの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの例を説明する説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a temperature profile in a step of forming a PZT oxide thin film on a substrate.

【図4】図4は、ITOの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの例を説明する説明図で
ある。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of a temperature profile in a step of forming an ITO oxide thin film on a substrate.

【図5】図5は、YSZの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの例を説明する説明図で
ある。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of a temperature profile in a step of forming a YSZ oxide thin film on a substrate.

【図6】図6は、PZTの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの他の例を説明する説明
図である。この例では、同一容器内で成膜とアニールを
行っている。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating another example of a temperature profile in a step of forming a PZT oxide thin film on a substrate. In this example, film formation and annealing are performed in the same container.

【図7】図7は、ITOの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの他の例を説明する説明
図である。この例では、同一容器内で成膜とアニールを
行っている。
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating another example of a temperature profile in a step of forming an ITO oxide thin film on a substrate. In this example, film formation and annealing are performed in the same container.

【図8】図8は、YSZの酸化物薄膜を基板に形成する
工程における温度プロファイルの他の例を説明する説明
図である。この例では、同一容器内で成膜とアニールを
行っている。
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating another example of a temperature profile in a step of forming a YSZ oxide thin film on a substrate. In this example, film formation and annealing are performed in the same container.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 ガス源 101 原料供給口 102 プラズマトーチ部 103 熱プラズマ部 104 真空チャンバ 105 プラズマテールフレーム 106 基板 107 基板ホルダ 108 排気口 REFERENCE SIGNS LIST 100 gas source 101 raw material supply port 102 plasma torch section 103 thermal plasma section 104 vacuum chamber 105 plasma tail frame 106 substrate 107 substrate holder 108 exhaust port

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C30B 29/32 C30B 29/32 A H01L 21/31 H01L 21/31 C ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI C30B 29/32 C30B 29/32 A H01L 21/31 H01L 21/31 C

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】熱プラズマ法によって基板に酸化物の薄膜
を形成する酸化物薄膜の製造方法であって、 薄膜を形成すべき基板を次工程の目標温度にまで加熱す
る基板加熱工程と、 前記基板を前記目標温度に維持しつつ熱プラズマ法によ
って前記基板に酸化物を堆積し、酸化物薄膜を非晶成長
させる低温熱プラズマ工程と、 前記基板を前記目標温度よりも高い温度で熱処理して前
記酸化物薄膜を結晶化する熱処理工程と、 を含む、酸化物薄膜の製造方法。
1. A method for producing an oxide thin film on a substrate by a thermal plasma method, comprising: a substrate heating step of heating a substrate on which a thin film is to be formed to a target temperature in a next step; Depositing an oxide on the substrate by a thermal plasma method while maintaining the substrate at the target temperature, a low-temperature thermal plasma process of amorphously growing an oxide thin film, and heat-treating the substrate at a temperature higher than the target temperature A method for producing an oxide thin film, comprising: a heat treatment step of crystallizing the oxide thin film.
【請求項2】前記低温熱プラズマ工程と前記熱処理工程
と同一容器内で連続的に行う、請求項1記載の酸化物薄
膜の製造方法。
2. The method for producing an oxide thin film according to claim 1, wherein the low-temperature thermal plasma step and the heat treatment step are continuously performed in the same container.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008538797A (en) * 2005-04-11 2008-11-06 ドクトル・ラウレ・プラスマテヒノロギー・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Apparatus and method for applying plasma coating
US7462407B2 (en) 2002-12-19 2008-12-09 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Fluoride-containing coating and coated member
JP2012162761A (en) * 2011-02-04 2012-08-30 Asahi Glass Co Ltd Method for forming fluorine-doped tin oxide film

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