KR20130095288A - 유전체 박막의 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

(100)/(001) 배향된 PZT 의 박막을 형성할 수 있는 유전체 박막의 성막 방법을 제공한다. 기판의 표면에 PbO 의 가스를 부착시켜 시드층을 형성한 후, 진공 배기된 진공조 내에서 기판을 가열하면서, 티탄산 지르콘산납 (PZT) 의 타깃에 전압을 인가하여 스퍼터하고, 기판의 표면에 PZT 의 박막을 성막한다. 시드층으로부터 Pb 와 O 가 공급되어 PZT 박막에 Pb 결손은 발생되지 않고 (001)/(100) 배향된 PZT 막이 얻어진다.

Description

유전체 박막의 성막 방법{METHOD FOR PRODUCING DIELECTRIC THIN FILM}
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법에 관한 것이다.
현재, 티탄산 지르콘산납 (Pb(Zr, Ti)O3, PZT) 등의 강유전체를 사용한 압전 소자는, 잉크젯 헤드나 가속도 센서 등의 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술에 응용되고 있다.
도 4 는 (100)/(001) 배향의 PZT 박막과 (111) 배향의 PZT 박막의 압전 특성을 나타내는 그래프이다. (100)/(001) 배향의 PZT 박막은, (111) 배향의 PZT 박막보다 큰 압전 특성을 나타내는 것이 알려져 있다.
종래의 유전체 박막의 성막 방법을 설명한다.
압전 소자를 형성하는 경우, 성막해야 할 기판에는, 열산화막이 부착된 Si 기판 상에, 밀착층인 Ti 박막과 하부 전극층인 귀금속의 박막이 이 순서로 미리 적층된 것을 사용한다. 귀금속의 박막은 Pt 또는 Ir 의 박막이고, (111) 면으로 우선 배향되어 있다.
도 5 는 기판을 가열하는 발열 부재의 온도 변화를 나타내고 있다.
진공 배기된 진공조 내에서 발열 부재를 여기서는 640 ℃ 로 승온 유지시켜 기판을 PZT 박막의 형성에 적합한 성막 온도로 한다.
진공조 내에 스퍼터 가스를 도입하고, 타깃에 교류 전압을 인가하면, 도입된 스퍼터 가스는 전리되어 플라스마화된다. 플라스마 중의 이온은 타깃의 표면을 스퍼터하고, 타깃으로부터 PZT 의 입자가 방출된다.
타깃으로부터 방출된 PZT 의 입자 일부는 가열된 기판의 표면에 입사되고, 기판의 귀금속의 박막 상에 PZT 의 박막이 형성된다.
소정 막두께의 PZT 의 박막을 형성한 후, 타깃에 대한 전압 인가를 정지시키고, 스퍼터 가스의 도입을 정지시킨다. 발열 부재를 400 ℃ 로 강온 (降溫) 유지하여, 기판을 냉각시킨다.
도 6 은 종래의 유전체 박막의 성막 방법으로 Pt 박막 상에 형성한 PZT 박막의 중앙부 (Center) 와, 외가장자리부 (Edge) 와, 중앙부와 외가장자리부 사이의 중간부 (Middle) 3 군데의 X 선 회절 패턴을 나타내고 있다. 형성되는 PZT 의 박막은 (111) 방향으로 우선 배향되어 있음을 알 수 있다.
즉, 종래의 유전체 박막의 성막 방법에서는, (100)/(001) 배향된 PZT 박막을 형성하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.
일본 공개특허공보 2007-327106호 일본 공개특허공보 2010-084180호 일본 공개특허공보 2003-081694호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해서 창작된 것으로, 그 목적은, (100)/(001) 배향된 PZT 의 박막을 형성할 수 있는 유전체 박막의 성막 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 종래의 성막 방법에서는, PZT 박막의 성막 초기에 있어서, Pb 가 귀금속의 박막 방향으로 확산되거나 재증발하는 영향으로 인해, PZT 박막에 Pb 결손이 발생되어 TiO2 가 형성되고, TiO2/귀금속의 박막 상에 형성되는 PZT 박막이 (111) 방향으로 우선 배향되어 있던 것으로 추측하고, 귀금속의 박막 상에 PbO 의 시드층을 미리 형성함으로써 상기 목적을 달성할 수 있음을 알아냈다.
이러한 지견에 기초하여 이루어진 본 발명은, 진공 배기된 진공조 내에서 기판을 가열하면서, 티탄산 지르콘산납 (PZT) 의 타깃에 전압을 인가하여 스퍼터하고, 상기 기판의 표면에 PZT 의 박막을 성막하는 성막 공정을 갖는 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 성막 공정 전에, 상기 기판의 표면에 PbO 의 가스를 부착시켜 시드층을 형성하는 시드층 형성 공정을 갖는 유전체 박막의 성막 방법이다.
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 진공조 내에서 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 방출원을 가열하여, 상기 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시키는 유전체 박막의 성막 방법이다.
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시키면서, 상기 진공조 내에 PbO 와 반응하지 않는 불활성 가스를 도입하는 유전체 박막의 성막 방법이다.
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원을 상기 성막 공정에서의 상기 기판의 온도보다 높은 온도로 가열하는 유전체 박막의 성막 방법이다.
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원을 상기 성막 공정에서의 상기 기판의 온도보다 50 ℃ 이상 높은 온도로 가열하는 유전체 박막의 성막 방법이다.
본 발명은 유전체 박막의 성막 방법으로서, 상기 기판은 표면에 (111) 면으로 우선 배향된 Pt 또는 Ir 중 어느 일방의 귀금속의 박막을 갖는 유전체 박막의 성막 방법이다.
(111) 배향된 Pt 또는 Ir 의 박막 상에 (100)/(001) 배향된 PZT 박막을 성막 할 수 있으므로, 종래보다 압전 특성이 큰 압전 소자를 얻을 수 있다.
도 1 은 본 발명의 유전체 박막의 성막 방법에서 사용하는 유전체 성막 장치의 내부 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 유전체 박막의 성막 방법에서의 발열 부재의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 유전체 박막의 성막 방법으로 형성한 PZT 박막의 X 선 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4 는 (100)/(001) 배향의 PZT 박막과 (111) 배향의 PZT 박막의 압전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 종래의 유전체막의 성막 방법에서의 발열 부재의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 6 은 종래의 유전체 박막의 성막 방법으로 형성한 PZT 박막의 X 선 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
<유전체 성막 장치의 구조>
본 발명의 유전체 박막의 성막 방법에서 사용하는 유전체 성막 장치의 구조를 설명한다.
도 1 은 유전체 성막 장치 (10) 의 내부 구성도이다.
유전체 성막 장치 (10) 는 진공조 (11) 와, 진공조 (11) 내에 배치된 PZT 의 타깃 (21) 과, 타깃 (21) 과 대면하는 위치에 배치되고 기판 (31) 을 유지하는 기판 유지대 (32) 와, 기판 유지대 (32) 에 유지된 기판 (31) 을 가열하는 기판 가열부 (18) 와, 타깃 (21) 에 전압을 인가하는 스퍼터 전원 (13) 과, 진공조 (11) 내에 스퍼터 가스를 도입하는 스퍼터 가스 도입부 (14) 와, 진공조 (11) 내에서 타깃 (21) 으로부터 방출된 PZT 의 입자가 부착되는 위치에 배치된 제 1, 제 2 방착판 (34, 35) 을 가지고 있다.
진공조 (11) 의 벽면에는, 캐소드 전극 (22) 이 절연 부재 (28) 를 개재하여 장착되고, 캐소드 전극 (22) 과 진공조 (11) 는 전기적으로 절연되어 있다. 진공조 (11) 는 접지 전위에 놓여져 있다.
캐소드 전극 (22) 의 표면은 진공조 (11) 내에 노출되어 있다. 타깃 (21) 은 캐소드 전극 (22) 의 표면의 중앙부에 밀착되어 고정되고, 타깃 (21) 과 캐소드 전극 (22) 은 전기적으로 접속되어 있다.
스퍼터 전원 (13) 은 진공조 (11) 의 외측에 배치되고, 캐소드 전극 (22) 에 전기적으로 접속되어, 캐소드 전극 (22) 을 통해 타깃 (21) 에 교류 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다.
캐소드 전극 (22) 의 타깃 (21) 과는 반대측에는 자석 장치 (29) 가 배치되어 있다. 자석 장치 (29) 는 타깃 (21) 의 표면에 자력선을 형성하도록 구성되어 있다.
기판 유지대 (32) 는 여기서는 탄화 규소 (SiC) 이고, 외부 둘레는 기판 (31) 의 외부 둘레보다 크게 형성되고, 표면은 타깃 (21) 의 표면과 대면하도록 향해져 있다. 기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부는 기판 (31) 을 정전 흡착하여 유지할 수 있도록 구성되어 있다.
기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 기판 (31) 을 정전 흡착시키면, 기판 (31) 의 이면은 기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 밀착되고, 기판 (31) 은 기판 유지대 (32) 와 열적으로 접속되도록 되어 있다.
제 1 방착판 (34) 은, 석영, 알루미나 등의 세라믹스이고, 내부 둘레가 기판 (31) 의 외부 둘레보다 큰 환상으로 되고, 기판 유지대 (32) 표면의 중앙부의 외측인 외가장자리부를 덮도록 배치되어 있다. 그래서, 타깃 (21) 으로부터 방출된 입자는 기판 유지대 (32) 의 표면의 외가장자리부에 부착되지 않도록 되어 있다.
제 1 방착판 (34) 의 이면은 기판 유지대 (32) 의 표면의 외가장자리부에 밀착되고, 제 1 방착판 (34) 은 기판 유지대 (32) 와 열적으로 접속되어 있다.
기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 기판 (31) 을 재치 (載置) 시키면, 제 1 방착판 (34) 은 기판 (31) 의 외부 둘레부터 외측을 둘러싸도록 되어 있다.
제 2 방착판 (35) 은, 석영, 알루미나 등의 세라믹스이고, 내부 둘레가 타깃 (21) 의 외부 둘레나 기판 (31) 의 외부 둘레보다 큰 통상으로 되어 있다. 제 2 방착판 (35) 은, 기판 유지대 (32) 와 캐소드 전극 (21) 사이에 배치되고, 기판 (31) 과 타깃 (21) 사이의 공간의 측방을 둘러싸도록 되어 있다. 그래서, 타깃 (21) 으로부터 방출된 입자는 진공조 (11) 의 벽면에 부착되지 않도록 되어 있다.
기판 가열부 (18) 는, 발열 부재 (33) 와 가열용 전원 (17) 을 가지고 있다.
발열 부재 (33) 는 여기서는 SiC 이고, 기판 유지대 (32) 의 기판 (31) 과는 반대측에 배치되고, 가열용 전원 (17) 은 발열 부재 (33) 에 전기적으로 접속되어 있다. 가열용 전원 (17) 으로부터 발열 부재 (33) 에 직류 전류가 흐르게 되면, 발열 부재 (33) 는 발열되어 기판 유지대 (32) 가 가열되고, 기판 유지대 (32) 상의 기판 (31) 과 제 1 방착판 (34) 이 함께 가열되도록 되어 있다.
기판 (31) 의 이면은 기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 밀착되고, 기판 (31) 의 중앙부로부터 외가장자리부까지 균등하게 전열 (傳熱) 되도록 되어 있다.
발열 부재 (33) 의 기판 유지대 (32) 와는 반대측에는 냉각 장치 (38) 가 배치되어 있다. 냉각 장치 (38) 는 내부에 온도 관리된 냉각 매체를 순환할 수 있도록 구성되고, 발열 부재 (33) 가 발열되어도 진공조 (11) 의 벽면이 가열되지 않도록 되어 있다.
스퍼터 가스 도입부 (14) 는 진공조 (11) 내에 접속되어 진공조 (11) 내에 스퍼터 가스를 도입할 수 있도록 되어 있다.
<유전체 박막의 성막 방법>
본 발명인 유전체 박막의 성막 방법을 설명한다.
성막해야 할 기판 (31) 에는, 여기서는 Si 기판의 열산화막 (SiO2) 상에, 밀착층인 Ti 박막과, 하부 전극층인 귀금속의 박막이 이 순서로 미리 적층된 것을 사용한다. 귀금속의 박막은 Pt 또는 Ir 의 박막이고, (111) 면으로 우선 배향되어 있다.
PZT 박막의 성막에 적합한 기판 (31) 의 온도 (이하 성막 온도라고 한다) 를 시험이나 시뮬레이션에 의해 미리 구해 둔다.
먼저, 준비 공정으로서 진공조 (11) 내에 진공 배기 장치 (15) 를 접속시켜 진공조 (11) 내를 진공 배기한다. 이후, 진공 배기를 계속하여 진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지한다.
여기서는, 진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서, 성막해야 할 기판 (31) 과는 상이한 더미 기판을 진공조 (11) 내에 반입하여, 기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 재치하고, 타깃 (21) 의 스퍼터를 실시하여, 제 1 방착판 (34) 의 표면에 미리 PZT 의 박막을 부착시킨다. 이어서, 진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서 더미 기판을 진공조 (11) 의 외측으로 반출한다.
본 발명은, 화학 구조 중에 납 (Pb) 과 산소 (O) 를 함유하는 금속 화합물 (이하, 방출원이라고 한다) 을 제 1 방착판 (34) 의 표면에 부착할 수 있다면, 진공조 (11) 내에서 더미 기판을 사용하여 스퍼터를 실시하는 방법에 한정되지 않고, 다른 성막 장치에서 미리 PZT 나 PbO 등의 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 금속 화합물을 부착시킨 제 1 방착판 (34) 을 진공조 (11) 내에 반입하여 사용해도 된다.
진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서, 진공조 (11) 내에 성막해야 할 기판 (31) 을 반입하고, 기판 (31) 표면의 귀금속의 박막이 타깃 (21) 의 표면과 대면하는 방향에서 기판 유지대 (32) 의 표면의 중앙부에 기판 (31) 을 유지시킨다.
냉각 장치 (38) 에 온도 관리된 냉각 매체를 순환시켜 둔다.
도 2 는 이하의 시드층 형성 공정과 성막 공정에서의 발열 부재 (33) 의 온도 변화를 나타내고 있다.
시드층 형성 공정으로서 스퍼터 가스 도입부 (14) 로부터 진공조 (11) 내에 PbO 와는 반응하지 않는 불활성 가스를 도입한다. 여기서는 불활성 가스에 스퍼터 가스인 Ar 가스를 사용한다. 이후, 불활성 가스의 도입을 계속한다.
진공조 (11) 내에서 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 방출원을 가열하여, 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시킨다.
여기서는, 가열용 전원 (17) 으로부터 발열 부재 (33) 에 직류 전류를 흐르게 하여 발열 부재 (33) 를 가열하고, 제 1 방착판 (34) 에 부착된 PZT 의 박막을, 미리 구한 성막 온도보다 고온으로 한다. 제 1 방착판 (34) 에 부착된 PZT 의 박막으로부터 PbO 의 가스가 방출된다.
제 1 방착판 (34) 에 부착된 PZT 의 박막을, 미리 구한 성막 온도보다 50 ℃ 이상 고온으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, PbO 의 가스가 보다 많이 방출되기 때문이다. 여기서는 발열 부재 (33) 를 785 ℃ 로 승온시키고 그 온도를 유지시킨다.
기판 (31) 표면의 귀금속의 박막 상에 부착되고, 기판 (31) 표면의 귀금속의 박막 상에 PbO 의 시드층이 형성된다.
발열 부재 (33) 를 냉각시켜 기판 (31) 을 성막 온도로 한다. 여기서는 발열 부재 (33) 를 640 ℃ 로 냉각시키고 그 온도를 유지시킨다.
이어서, 성막 공정으로서 기판 (31) 을 성막 온도로 유지하면서, 스퍼터 가스 도입부 (14) 로부터 진공조 (11) 내에 스퍼터 가스인 Ar 가스를 도입시키고, 전원 (13) 으로부터 캐소드 전극 (22) 에 교류 전압을 인가시키면, 도입된 스퍼터 가스가 전리되어 플라스마화된다. 플라스마 중의 이온은 자석 장치 (29) 가 형성하는 자력선에 포착되어 타깃 (21) 의 표면에 입사되고, 타깃 (21) 으로부터 PZT 의 입자를 튀겨 날린다.
타깃 (21) 으로부터 방출된 PZT 의 입자 일부는 기판 (31) 의 표면에 입사 된다. 기판 (31) 표면의 귀금속의 박막 상에는 PbO 의 시드층이 미리 형성되어 있기 때문에, 시드층으로부터 Pb 와 O 가 공급되어 PZT 박막에 Pb 결손은 발생되지 않고 시드층 상에 (001)/(100) 배향된 PZT 막이 형성된다.
도 3(b) 는 본 발명의 성막 방법으로 Pt 박막 상에 형성한 PZT 박막의 중앙부 (Center) 와, 외가장자리부 (Edge) 와, 중앙부와 외가장자리부 사이의 중간부 (Middle) 3 군데의 X 선 회절 패턴을 나타내고 있다.
도 3(b) 의 X 선 회절 패턴으로부터 (100)/(001) 방향으로 우선 배향된 PZT 박막이 형성됨을 알 수 있다.
타깃 (21) 으로부터 방출된 PZT 의 입자 일부는 제 1 방착판 (34) 의 표면에 부착되고, 다음 회의 시드층 형성 공정에 있어서의 PbO 가스의 방출원이 된다.
기판 (31) 상에 소정 막두께의 PZT 박막을 성막한 후, 전원 (13) 으로부터 캐소드 전극 (22) 에 대한 전압 인가를 정지시키고, 스퍼터 가스 도입부 (14) 로부터 진공조 (11) 내로의 스퍼터 가스의 도입을 정지시킨다.
가열용 전원 (17) 으로부터 발열 부재 (33) 로의 전류 공급을 정지시켜 발열 부재 (33) 를 냉각시키고 기판 (31) 을 성막 온도보다 낮은 온도로 한다. 기판 (31) 을 반송 로봇으로 반송시키기 위함이다. 여기서는 발열 부재 (33) 를 400 ℃ 로 강온시켜 그 온도를 유지시킨다.
진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서 성막이 완료된 기판 (31) 을 진공조 (11) 의 외측으로 반출하고, 이어서 다른 성막되지 않은 기판 (31) 을 진공조 (11) 내에 반입하여 상기 서술한 시드층 형성 공정과 성막 공정을 반복한다.
본 발명의 시드층 형성 공정에서는, 진공조 (11) 내에서 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 방출원을 가열하여, 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시킬 수 있으면, 제 1 방착판 (34) 에 부착된 PZT 의 박막을 가열하는 방법에 한정되지 않고, 제 2 방착판 (35) 의 외부 둘레 측면에 발열 부재를 배치하여, 제 2 방착판 (35) 의 내부 둘레 측면에 부착된 PZT 의 박막을 가열하고, PbO 의 가스를 방출시켜도 된다. 이 경우에는, 방출된 PbO 의 가스는 불활성 가스와 충돌하지 않아도, 기판 (31) 표면에 입사되므로, 불활성 가스의 도입을 생략할 수 있다.
진공조 (11) 내에 제 1 방착판 (34) 과는 별도로 도가니 (도시 생략) 를 배치하고, 도가니 내에 PZT 나 PbO 등의 방출원을 넣어 두고, 도가니 내의 방출원을 가열하여 PbO 의 가스를 방출시켜도 된다. 도가니의 개구를, 방출된 PbO 의 가스가 기판 (31) 표면에 입사되는 방향으로 향해 두면, 불활성 가스의 도입을 생략할 수 있다.
본 발명의 시드층 형성 공정에서는, 기판 (31) 의 표면에 PbO 의 가스를 부착시킬 수 있으면, 진공조 (11) 내에서 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 방출원을 가열하여, 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시키는 방법에 한정되지 않고, 진공조 (11) 의 외측에 배치되고, PbO 의 가스를 방출하는 PbO 가스 방출부 (도시 생략) 를 진공조 (11) 내에 접속시켜 PbO 가스 방출부로부터 진공조 (11) 내에 PbO 의 가스를 도입하고, 기판 (31) 의 표면에 PbO 의 가스를 부착시키는 방법도 포함된다.
제 1, 제 2 방착판 (34, 35) 을 사용하는 방법과 같이, 가열되는 방출원이 타깃 (21) 으로부터 방출된 PZT 의 입자가 부착되는 위치에 배치되어 있는 경우에는, 성막 공정 중에 PZT 의 입자가 방출원에 부착되고, 즉 방출원이 보충되므로, PbO 가스 방출부를 사용하는 방법에 비해 성막 재료의 사용 효율이 양호하여 바람직하다.
11……진공조
21……타깃
31……기판

Claims (6)

  1. 진공 배기된 진공조 내에서 기판을 가열하면서, 티탄산 지르콘산납 (PZT) 의 타깃에 전압을 인가하여 스퍼터하고, 상기 기판의 표면에 PZT 의 박막을 성막하는 성막 공정을 갖는 유전체 박막의 성막 방법으로서,
    상기 성막 공정 전에, 상기 기판의 표면에 PbO 의 가스를 부착시켜 시드층을 형성하는 시드층 형성 공정을 갖는, 유전체 박막의 성막 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 진공조 내에서 화학 구조 중에 Pb 와 O 를 함유하는 방출원을 가열하여, 상기 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시키는, 유전체 박막의 성막 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원으로부터 PbO 의 가스를 방출시키면서, 상기 진공조 내에 PbO 와 반응하지 않는 불활성 가스를 도입하는, 유전체 박막의 성막 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원을 상기 성막 공정에서의 상기 기판의 온도보다 높은 온도로 가열하는, 유전체 박막의 성막 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 시드층 형성 공정에서는, 상기 방출원을 상기 성막 공정에서의 상기 기판의 온도보다 50 ℃ 이상 높은 온도로 가열하는, 유전체 박막의 성막 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은, 표면에 (111) 면으로 우선 배향된 Pt 또는 Ir 중 어느 일방의 귀금속의 박막을 갖는, 유전체 박막의 성막 방법.
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