JPWO2015194453A1 - 多層膜並びにその製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年6月20日に日本国に出願された特願2014−127469号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
まず、図13に示す積層構造、すなわち、基板2の一主面側に対して、この一主面の全領域を覆うように、第一導電層3、誘電体層4、第二導電層5を順に重ねた積層構造をスパッタ法を用いて作製する場合、どのような問題が生じるのか検討した。
図14Aから図14Cは、図13の積層構造を形成する手順を示す模式的な断面図である。図14Aは基板2に第一導電層3を形成する工程Aを示している。図14Bは第一導電層3を覆うように誘電体層4を形成する工程Bを示している。図14Cは誘電体層4を覆うように第二導電層5を形成する工程Cを示している。
従来は、基板上に図13の積層構造を、図14Aから図14Cの手順で作製するため、図15Bに示すように基板100(W)が配置される。具体的には、平板状の基板Wにおいて被膜が形成される表面(一方の主面)がターゲット21と対向するとともに、基板Wの裏面(他方の主面)が支持部101(S1)の上面に載置されている。また、支持部101(S1)の上面のうち基板Wの側方に位置する領域には、第一の防着板104が配置されている。第一の防着板104は、支持部101(S1)の上面に対する被膜形成を防ぐように機能する。
また、本発明は、スパッタ粒子の回り込みによる影響を抑制する工程を含む多層膜の製造方法を提供することを第二の目的とする。
さらに、本発明は、スパッタ粒子の回り込みによる影響を抑制する構成を含む多層膜の製造装置を提供することを第三の目的とする。
本発明の第二の態様によれば、前記第一の態様に係る多層膜において、前記誘電体層が蒸気圧の高い元素を含んでもよい。
本発明の第三の態様によれば、前記第一又は前記第二の態様に係る多層膜において、前記誘電体層が圧電材料からなってもよい。
この多層膜1は、シリコンからなる基板2の一主面側に、白金(Pt)からなる第一導電層3、誘電体層4、白金(Pt)からなる第二導電層5が、少なくとも順に配されている。
中でも、誘電体層4が「蒸気圧の高い元素を含む」場合に、「スパッタ粒子の回り込みによる影響」を回避することが可能な本実施形態に係る多層膜は有効に機能する。「蒸気圧の高い元素」としては、たとえばPb、Mg、Zn、Mn、Li、K、Na、Tl、Sm、Sr、Yb等が挙げられる。
スパッタ粒子の回り込みによる影響を受けない多層膜1は、中央部から側端部に亘って、所望の膜組成を有する各層が均一に積層される。これにより、基板2の一主面において、中央部から側端部の何れの位置においても、所望の多層膜1が得られる。
これにより、たとえば高い圧電性と耐圧性のように、優れた特性を有するチップが安定して得られる。このような多層膜1は、例えば圧電素子等に好適に用いられる。
図2Aから図2Eは、本実施形態に係る多層膜の製造工程を示す断面図である。
本実施形態に係る多層膜の製造方法は、基板2の一主面側に、第一導電層3、誘電体層4、第二導電層5が順に重ねて配された多層膜を製造する方法であって、以下に示す4つの工程A〜工程Dを少なくとも順に備えている。
工程Bは、第一導電層3を覆い、第一導電層3の表面のうち外周端部領域が露呈するように誘電体層4を形成する[図2B]。これにより、基板2の側端部からE2の領域は、第一導電層3と誘電体層4が何れも存在せず、基板2の一主面が露呈した部位、および、誘電体層4のみ存在せず、第一導電層3が露呈した部位、から構成される。
工程Cは、誘電体層4とともに第一導電層3の露呈した外周端部領域も覆うように第二導電層5を形成する[図2C]。これにより、基板2の側端部からE1の領域は、第一導電層3と誘電体層4と第二導電層5とが何れも存在せず、基板2の一主面が露呈した部位から構成される。
工程Dは、第一導電層3と誘電体層4と第二導電層5とから構成される積層体に対して、第一導電層3の外周端部領域より内側となる所望の位置Cにおいて、位置Cより外側の部位を除去する[図2D]。
以下では、本実施形態に係る多層膜の製造方法を実施するために好適な成膜装置の構造について説明する。
図3Aおよび図3Bは、本実施形態で用いる成膜装置の一例を示す模式的な図である。図3Aは成膜装置の内部構成の全体を表す断面図である。図3Bは基板が載置された付近Aを表す要部断面図である。
成膜装置10は、真空槽11と、ターゲット21と、第一の支持部(S1)101と、温度制御部(H1、H2)105、106と、スパッタ電源13と、スパッタガス導入部14と、第一の防着板104と、第二の防着板35とを備えている。ターゲット21は、真空槽11内に配置されている。第一の支持部(S1)は、ターゲット21と対面する位置に配置され、基板(W)100を載置する。温度制御部(H1、H2)は、第一の支持部(S1)に載置された基板(W)を加熱/冷却して基板温度を調整する。スパッタ電源13は、ターゲット21に電圧を印加する。スパッタガス導入部14は、真空槽11内にスパッタガスを導入する。第一の防着板104および第二の防着板35は、真空槽11内で、ターゲット21から放出された粒子が付着する位置に配置されている。
第一の防着板104の下方(影)となる位置にあたる基板(W)の被成膜面(図3Bにおいて上面)は、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。これに対して、第一の防着板104より内側に位置する基板(W)の被成膜面(図3Bにおいて上面)の上空には、第一の防着板104からなるエッジカット部材Xが存在しない領域、すなわち図3Bに示す開口部φ1を反映した領域があるため、開口部φ1を通してスパッタ粒子が基板(W)の被成膜面に堆積する。
カソード電極22の一面側は局部的に真空槽11内に露出されている。ターゲット21はカソード電極22の一面側のうち露出された領域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のターゲット21とは反対側、すなわちカソード電極22の他面側には磁石装置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。
発熱部材としては例えばSiCが用いられる。発熱部材は、第一の支持部(S1)を挟んで基板(W)とは反対側の位置に配されている。加熱用電源17は発熱部材と電気的に接続されている。加熱用電源17から発熱部材に直流電流が供給されると、発熱部材が発する熱が、第一の支持部(S1)を通して、第一の支持部(S1)に載置された基板(W)と第一の防着板104とへ伝わる。これにより、基板(W)と第一の防着板104が一緒に温度制御される。
以下では、図3Aおよび図3Bに示す成膜装置と異なる箇所についてのみ説明し、同様の箇所については説明を省略する。図4Aおよび図4Bの成膜装置が図3Aおよび図3Bの成膜装置と異なる箇所は、符号111〜114により明示した構造体である。
すなわち、第三の防着板111からなるエッジカット部材Yは、第一の防着板104からなるエッジカット部材Xの上面を覆うとともに、基板(W)の外周端から所定距離(E2)までの領域(エッジカット領域2と呼ぶ)を覆うように配置される。ここで、所定距離(E2)と前述した所定距離(E1)との関係は、E2>E1となるように設計される。つまり、第三の防着板111からなるエッジカット部材Yの下方(影)となる位置にあたる基板(W)の被成膜面(図4Bにおいて上面)は、第一の防着板104からなるエッジカット部材Xに比べて広がることになる。
第三の防着板111の下方(影)となる位置にあたる基板(W)の被成膜面(図4Bにおいて上面)は、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。これに対して、第三の防着板111より内側に位置する基板(W)の被成膜面(図4Bにおいて上面)の上空には、第三の防着板111からなるエッジカット部材Yが存在しない領域、すなわち図4Bに示す開口部φ2を反映した領域があるため、開口部φ2を通してスパッタ粒子が基板(W)の被成膜面に堆積する。本実施形態においては、基板上に第一導電層3が前もって形成されているので、誘電体層4は第一導電層3の上に堆積される。
図5Aに示したマルチチャンバ200を用いて、本実施形態に係る多層膜を形成する場合は、たとえばチャンバ202では第一導電層3と誘電体層4との形成を行い、チャンバ203では第二導電層5の形成を行う。
以下では、上述した図3A、図3B、図4A、および図4Bに示した多層膜の成膜装置を用い、多層膜を成膜する方法について説明する。
図2Aから図2Eは、本実施形態に係る多層膜の製造工程を示す断面図である。
図3Aから図4Bには各々、説明を簡略とするため、成膜装置10が1つの真空槽11を有する場合を例示したが、以下の工程A〜Cの製造方法では、少なくとも3つの真空槽11a、11b、11c(11)が、図3Aで言うと紙面奥行き方向に、不図示の仕切りバルブを介して連通して成る構成の成膜装置を使用した場合を前提として説明する。
ここで、真空槽11a(11)は第一導電層形成用の真空槽である。真空槽11b(11)は誘電体層形成用の真空槽である。真空槽11c(11)は第二導電層形成用の真空槽である。以下では、真空槽のみ符号を区別し、各真空槽に付随する構成の符号は区別せず説明する。
図2Aに示すように、シリコン(Si)からなる基板2の一主面側に、白金(Pt)からなる第一導電層3を形成する。以下では、基板の一主面に直接、第一導電層を形成するものとして説明する。必要に応じて、基板2の一主面に対して、第一導電層の形成前に、他の被膜を設ける構成としても構わない。
冷却部(不図示)に温度管理された冷却媒体を循環させておく。
図2Bに示すように、第一導電層3を覆うように誘電体層4を形成する。
本工程Bでは、誘電体層4として、PZT膜を、スパッタ法により形成する。
図2Cに示すように、第一導電層3および誘電体層4を覆うように第二導電層5を形成する。
本工程Cでは、第二導電層5として、Pt膜を、スパッタ法により形成する。
なお、上述した基板の搬送、すなわち、外部から真空槽11a(11)への搬入、各真空槽間の移動、真空槽11c(11)から外部への搬出には、不図示の搬送ロボットが好適に用いられる。
次いで、工程Dにおいては、第一導電層3と誘電体層4と第二導電層5とから構成される積層体に対して、第一導電層3の外周端部領域より内側となる所望の位置Cにおいて、位置Cより外側の部位を除去する[図2D]。
図2Dには、前記積層体ととも基板2も一緒に除去した例を示しているが、基板2は残して前記積層体のみを除去しても構わない。基板2を含む除去とするか否かは、後工程において好適な構成が適宜選択される。
これにより、たとえば高い圧電性と耐圧性のように、優れた特性を有するチップが安定して得られる。このような多層膜1は、例えば圧電素子等に好適に用いられる。
このような工程A〜工程Dを経て形成された多層膜1は、成膜時あるいは成膜後に、スパッタ粒子の回り込みが抑制され、たとえスパッタ粒子の回り込みが発生したとしても、回り込みが生じた箇所は確実に除去される。したがって、本発明によれば、スパッタ粒子の回り込みが抑制された多層膜の製造方法を提供することができる。
以下では、上述した本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
工程Aにおいて、基板2の側端部より第一導電層3の側端部が基板2の側端部より内側に位置する距離(第一エッジカット量:E1)を変えて、基板2に第一導電層3を成膜した後、第一導電層3の上にPZT膜からなる誘電体層4を成膜して、誘電体層4の特性について評価した。その際、基板2の側端部より誘電体層4の側端部が基板2の側端部より内側に位置する距離(第二エッジカット量:E2)は変更せず、一定の数値とした。
本例では、基板2として直径が200mm(8インチ)のSiウェハを用い、第一エッジカット量(E1)を2[mm]に設定して、Pt膜からなる第一導電層3を形成した[図6]。その後、第二エッジカット量(E2)を10[mm]に固定し、誘電体層4を成膜することにより、図2Bに示す構成の積層膜を形成した。すなわち、本例では、図3Aから図4Bに示す成膜装置を用い、φ1=196[mm]、φ2=180[mm]に設定した。実験例1により作製された試料をサンプル1と呼ぶ。
本例では、第一エッジカット量(E1)を5[mm]に設定した以外は、実験例1と同様にして、図2Bに示す構成の積層膜を形成した。すなわち、本例では、図3Aから図4Bに示す成膜装置を用い、φ1=190[mm]、φ2=180[mm]に設定した。実験例2により作製された試料をサンプル2と呼ぶ。
本例では、第一エッジカット量(E1)を0[mm]に設定した以外は、実験例1と同様にして、図2Bに示す構成の積層膜を形成した。これは、図14Bに示す構成の積層膜を作製したことを意味する。本例では、図15Aおよび図15Bに示す成膜装置を用い、φN=200[mm](すなわち、直径が200mmの基板2の全面に被膜を形成)に設定した。実験例3により作製された試料をサンプル3と呼ぶ。
(A1)実験例1(E1=2mm)により形成された誘電体膜4(サンプル1)のPb含有量は、基板の半径方向において、極めて均一(Unif.±0.80%)である[図7]。
(A2)実験例2(E1=5mm)により形成された誘電体膜4(サンプル2)のPb含有量は、基板の半径方向において、実験例1に比べて倍以上、不均一(Unif.±1.74%)である[図8]。特に「45」から「90」へ向うにつれて、組成ズレが顕在化する傾向がある。
(A3)実験例3(E1=0mm)の場合は、基板Wの表面の全域に亘って正常な成膜が行われるが、基板(W)の側面と第一の防着板104との僅かな隙間を通して、スパッタ粒子の回り込み現象が発生し、基板の側面や前記側面に近い裏面にも、被膜が形成された。その結果、実験例3により形成された誘電体膜4(サンプル3)の基板の外周端部(edge)近傍においては、誘電体膜4に大きな組成ズレが局所的に生じることが確認された。
(B1)実験例1(E1=2mm)の場合は、評価した位置(center、middle、edge)に依存せず、ほぼ同様のX線プロファイルが得られた。ゆえに、実験例1で作製された誘電体膜4(サンプル1)は、基板半径方向において、ほぼ同じ膜構造を有することが分かった。
(B2)実験例2(E1=5mm)の場合は、評価した位置(center、middle、edge)に依存して、異なるX線プロファイルが得られた。基板の中心から基板の外周端に向かうにつれて、回折ピークの強度[PZT(001)/(100)、PZT(002)/(200)]が弱まる傾向がある。サンプル2においては、PZT(111)に起因する回折ピークが観測され、PZT(111)に起因する回折ピークの強度は逆の傾向、すなわち、基板の中心から基板の外周端に向かうにつれて、強まる傾向がある。ゆえに、実験例2で作製された誘電体膜4(サンプル2)は、基板半径方向において、異なる膜構造を有することが分かった。
図11は、実験例1(E1=2mm)において、PZT膜が成膜時に受ける加熱状態を模式的に示す図である。図12は、実験例2(E1=5mm)において、PZT膜が成膜時に受ける加熱状態を模式的に示す図である。図11と図12において、白抜きの太い矢印は、温度制御部から基板および第一導電層に向けて、熱が伝わる状況を表している。
(C1)実験例1(E1=2mm)の場合は、基板半径方向において、基板中心から外周端の近傍まで、温度制御部(H1、H2)105、106が発した熱は、基板(W)2と第一導電層3を通して、その上に形成される誘電体層4の堆積面(すなわち第一導電層3の表面)に伝達される。
(C2)実験例2(E1=5mm)の場合は、実験例1(E1=2mm)と比較して、基板の外周端の近傍おいて、基板(W)2上に第一導電層3が無い領域が幅広く存在している。この領域では温度制御部(H1、H2)105、106が発した熱は、基板(W)2と第一導電層3とを通して、上方空間に突き抜けてしまう。基板中心付近(center〜middle)では、実験例1(E1=2mm)と同様に熱が伝達される。
2 基板(W)
3 第一導電層
4 誘電体層
5 第二導電層
10 成膜装置
11 真空槽
13 スパッタ電源
14 スパッタガス導入部
21 ターゲット
100 基板(W)
101 第一の支持部(S1)
102 第二の支持部(S2)
103 支柱
104 第一の防着板(エッジカット部材X)
105 温度制御部(H1)
106 温度制御部(H2)
111 第三の防着板(エッジカット部材Y)
112 腕部
113 支柱
114 上下動する機構
Claims (5)
- 基板の一主面側に、第一導電層と、誘電体層と、第二導電層とが順に重ねて配された多層膜であって、
前記誘電体層は、前記誘電体層の下面が前記第一導電層の上面に接するとともに、前記誘電体層の上面及び側面が前記第二導電層により被覆されており、かつ、前記基板の一主面側において、前記第一導電層と前記第二導電層とが直接重なる部位の側端部は、前記基板の側端部より内側に位置する
多層膜。 - 前記誘電体層が蒸気圧の高い元素を含む
請求項1に記載の多層膜。 - 前記誘電体層が圧電材料からなる
請求項1又は2に記載の多層膜。 - 基板の一主面側に、第一導電層と、誘電体層と、第二導電層とが順に重ねて配された多層膜の製造方法であって、
前記基板の一主面側において、前記基板の側端部より前記第一導電層の側端部が前記基板の前記側端部より内側に位置するように、前記基板に前記第一導電層を形成し、
前記第一導電層を覆い、前記第一導電層の表面のうち外周端部領域が露呈するように前記誘電体層を形成し、
前記誘電体層とともに前記第一導電層の露呈した前記外周端部領域も覆うように前記第二導電層を形成し、
前記第一導電層と前記誘電体層と前記第二導電層とから構成される積層体に対して、前記第一導電層の前記外周端部領域より内側となる所望の位置において、前記位置より外側の部位を除去する、
多層膜の製造方法。 - 基板の一主面側に、第一導電層と、誘電体層と、第二導電層とが順に重ねて配された多層膜の製造装置であって、
前記第一導電層を形成する成膜室αは、前記成膜室αの内部空間に、前記第一導電層の膜面形状を規制する第一開口部を有する第一部材を備え、
前記誘電体層を形成する成膜室βは、前記成膜室βの内部空間に、前記誘電体層の膜面形状を規制する第二開口部を有する第二部材を備え、
前記第二導電層を形成する成膜室γは、前記成膜室γの内部空間に、前記第二導電層の膜面形状を規制する第三開口部を有する第三部材を備えており、
前記基板に前記第一導電層を形成した際に、前記基板の側端部より前記第一導電層の側端部が前記基板の内側に位置するように、前記第一開口部が配置されており、
前記第一導電層の上に前記誘電体層を形成した際に、前記第一導電層の表面のうち外周端部領域に露呈部が生じるとともに、前記誘電体層の上に前記第二導電層を形成した際に、前記第二導電層が前記誘電体層とともに前記第一導電層の前記外周端部領域の露呈部も覆うように、
前記第二開口部が、前記第一開口部および前記第三開口部に比べて小さい
多層膜の製造装置。
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