KR20140104045A - SrRuO3 막 증착 방법 - Google Patents

SrRuO3 막 증착 방법 Download PDF

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KR20140104045A
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요시아키 다이고
케이지 이시바시
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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 SrRuO3 막을 증착하는 공정에서 고품질 SrRuO3 막을 증착하면서 비정상 방전의 발생을 예방할 수 있는 SrRuO3 막을 성막하는 방법을 제공한다. 본 발명의 한 실시태양은 산소-포함 분위기에서 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 증착 압력으로 기판상에 SrRuO3 막을 증착하는 단계를 포함하여, 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 SrRuO3 막 증착 방법이다.

Description

SrRuO3 막의 성막 방법{Method for Forming SrRuO3 Film}
본 발명은 SrRuO3 막의 성막 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 SrRuO3 막을 증착하는 SrRuO3 막의 성막 방법에 관한 것이다.
스트론튬 루테네이트(SrRuO3)는 높은 열적 및 화학적 안정성과 낮은 저항을 구비한 페로브스카이트 구조를 가진 도체이다. 따라서 SrRuO3은 강유전체 장치, 압전기 장치, 자기저항 장치, 초전도체 장치 및 다른 유사 장치를 위한 전극 재료로서 기대된다. 예를 들어, 통상적인 강자성 비휘발성 메모리(FeRAM)는 강유전체 커패시터의 전극 재료용으로 백금(Pt)을 사용하고 있다. 그러나, 최근에, 장치 특성의 열화를 예방하려는 목적으로 강자성 막과 Pt 막 사이의 계면에 SrRuO3 막을 삽입하는 것이 실험되고 있다. 또한, 최근에, 강자성 기록-형식 초-고 기록 밀도 저장이 자기 기록 하드 디스크(HDs)를 대체할 것으로 예상되고 있으며, SrRuO3은 이의 전극 재료로서 실험되고 있다. 상기한 대로, SrRuO3은 다양한 형식의 기능성 장치용 전극 재료로서 많은 주목을 받는 재료이다
상기한 SrRuO3 막을 증착하는 방법으로서, MOCVD, 펄스 레이저 증착, 분자빔 에피택시 및 스퍼터링이 실험되고 있다. MOCVD는 성장 속도, 기판 면적의 증가 등을 포함하는 생산성이 뛰어나나, 낮은 재생성과 높은 생산비용과 같은 문제를 가진다. 한편, 펄스 레이저 증착 및 분자빔 에피택시는 성장 속도, 기판 면적의 증가 등을 포함하는 낮은 생산성의 문제를 가진다. 산업적 대량-생산의 면에서, 안정한 재생성, 낮은 생산 비용 및 성장 속도, 기판 면적의 증가 등을 포함하는 비교적 우수한 생산성을 제공할 수 있는 스퍼터링에 대한 요구가 존재한다.
특허 문헌 1은 상기한 스퍼터링을 사용하여 SrRuO3 막을 성막하는 방법을 개시한다. 도 7은 특허 문헌 1에 따른 스퍼터링 장치의 개략적 구성도이다. 기판(702) 및 표적(703)은 진공 용기(701)에 서로 마주보게 보인다. 기판(702)은 히터 (704)에 부착되고 전원(705)에 연결된다. 표적(703)도 또한 전원(706)에 연결된다. 전원은 라디오주파수(RF) 전원 또는 직류(DC) 전원일 수 있다. 진공 용기(701)는 터보-분자 펌프, 회전 펌프 및 기타 부품으로 구성된 진공 펌프(707)에 의해 비워진다. 한편, 대기 기체는 유속 계측기(710)를 통해 실린더(708 및 709)(예를 들어, 산소 실린더(708) 및 아르곤 실린더(709))로부터 진공 용기(701)를 통해 주입되며 진공 용기(1)의 내부는 산소-포함 기체 분위기에서 조절된다.
특허 문헌 1은 고품질 SrRuO3 막이 (도 7에 도시된 대로) 8.0Pa 이상 및 300 Pa 미만의 증착 압력으로 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링에 의해 비교적 높은 증착 속도로 얻어질 수 있다는 것을 개시한다. 특허 문헌 1의 상세한 설명에서, 이런 비교적 높은 증착 압력을 사용하는 이유는 고에너지 입자(특허 문헌 1에서 플라즈마 입자)의 가속을 감소시켜 SrRuO3 막에 대한 손상을 피하는 것이다. 또한, 특허 문헌 1은 증착 압력 이외의 조건은 생산된 SrRuO3 막의 품질에 거의 영향을 주지 않는다고 기술한다. 이의 상세한 설명에서, 예를 들어, 공정 기체로서 사용된 불활성 기체 대 산소 기체와 같은 산소-제공 물질의 비는 1:1 내지 10:1일 수 있으며, 기질 온도는 450 내지 650℃ 범위로 설정될 수 있고 스퍼터링에 대한 전원은 직류 전원 또는 교류 전원일 수 있다. 또한, 특허 문헌 1은 표적은 SrRuO3 표적, 스트론튬 카바이드(SrCO3) 및 루테늄 산화물(RuO2)의 복합 표적 또는 기타일 수 있다는 것을 기술한다.
특허 문헌 1에 기술된 발명은 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링을 사용하고 증착 압력을 8.0Pa 이상 및 300 Pa 미만의 비교적 높은 압력으로 설정함으로써, SrRuO3 막의 품질을 개선하면서 비교적 높은 증착 속도를 얻고 고에너지 입자에 의한 SrRuO3 막의 손상을 피하는 것을 목적으로 한 발명이다.
한편, 특허 문헌 2는 기능성 산화물 구조 및 이의 제조 방법을 개시한다. 기능성 산화물 구조는 단결정 Si로 제조된 기판 A, XRuO3(X는 적어도 한 종류의 알칼리토 금속)로 제조되고 박막 B 층으로서 기판 A 상에 놓인 전도성 페로브스카이트 산화물 박막 B 및 PbZOn(Z는 La, Zr, Ti, Nd, Sm, Y, Bi, Ta, W, Sb 및 Sn으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다)로 구성되고 박막 C 층으로서 박막 B 상에 놓인 강유전체 박막 C를 포함한다. 도 8은 특허 문헌 2에 기술된 기능성 산화물 구조 제조 장치의 개략도이다. 특허 문헌 2에 기술된 장치는 두 표적을 포함하는 RF 마그네트론 스퍼터링 막 증착 장치이다. 참조 번호 821은 전도성 산화물 SrRuO3 조성물의 표적을 나타내며 참조 번호 822는 강유전체 박막을 증착하기 위한 Pb(Ti, Zr)O3 표적을 나타낸다. 박막 B 및 C 층의 형성에 관해, 특허 문헌 2는 다음 증착 방법을 기술한다. 구체적으로, 먼저, 단결정 Si 기판(823)이 히터(824)에 의해 660℃로 가열되고 SrRuO3 표적(821)은 셔터(825)에 의해 선택된다. 그런 후에, 플라즈마가 라디오주파수 파에 의해 생성되어 박막 B 층을 300nm로 증착한다. 그런 후에 셔터(825)가 닫히고, 기판 온도는 히터(824)에 의해 400℃로 재설정된다. 그런 후에, 강유전체 산화물 Pb(Ti, Zr)O3에 대한 표적(822)이 셔터(825)에 의해 선택되어 박막 C 층을 1000nm로 증착한다.
특허 문헌
특허 문헌 1: 일본 특허 출원 특개평 No. 2008-240040
특허 문헌 2: 일본 특허 출원 특개평 No. Hei 07-223806
그러나, 특허 문헌 1에 기술된 본 발명을 증명하기 위한 본 발명자들의 실험은 특허 문헌 1은 다음 문제를 포함한다는 것을 나타냈다.
분명히 말하자면, 본 발명자들은 도 9에 도시된 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링을 장치(마그네트론 스퍼터링 장치)를 사용하여 특허 문헌 1을 증명하기 위한 실험을 실행하였다. 도면에서, 참조번호 901은 진공 용기; 902, 챔버 쉴드; 905, 기판 홀더; 907, 표적; 908, 음극; 909, 자석 유닛; 910, 전원; 911, 기체 공급원; 912, 진공 펌프; 913, 기판; 및 914, 트레이를 나타낸다. 이런 증명 실험에서, 스퍼터링을 위한 전원은 DC 전원이었고, 표적은 SrRuO3 표적이었다. 본 발명자들은 상기 DC 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 SrRuO3 막을 형성하였고 고품질 SrRuO3 막이 특허 문헌 1에 기술된 8.0 Pa 이상의 증착 압력으로 비교적 높은 증착 속도로 얻었다는 것을 확인하였다. 그러나, 이런 비교적 높은 증착 압력으로, 비정상 방전이 더욱 발생할 수 있으며, 적어도 특허 문헌 1에 개시된 조건 범위에서 비정상 방전의 발생을 예방하는 것은 어려웠다. 비정상 방전은 입자의 원료로서 작용하며 높은 수율로 SrRuO3 막을 포함하는 장치를 제조하는 것은 어렵다.
상기한 대로, 특허 문헌 1은 SrRuO3 막의 품질을 개선하면서 비교적 높은 증착 속도를 얻는 것을 목표로 한 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링을 사용하는 방법이나, 상기한 비정상 방전을 예방하는 방법에 대해 전혀 개시하지 않는다. 다르게 말하면, 특허 문헌 1에 개시된 발명에 의해서만 상기 비정상 방전을 의도적으로 예방하는 것은 어렵고, 비정상 방전은 SrRuO3 막을 포함하는 장치의 생산에서 현저한 문제로 남아있다.
한편, 특허 문헌 2에 기술된 제조 장치는 증착을 위한 기판(823)을 회전시키도록 구성되지 않으며, 따라서, 기판상에 SrRuO3 막을 균일한 두께로 증착할 수 없다는 문제를 가진다. 또한, 특허 문헌 2는 전도성 산화물 SrRuO3을 사용하여 다중-표적 RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하는 제조 방법을 개시한다. 그러나, 특허 문헌 2는 전도성 산화물 SrRuO3을 사용하여 다중-표적 RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하는 제조 방법을 개시하지 않거나 제안하지 않으며 제조 장치는 DC 마그네트론 스퍼터링에서 유발된 비정상 방전을 억제하기 위한 수단을 포함하지 않는다.
본 발명은 상기 문제의 면에서 완성되었고, 본 발명의 목적은 높은 증착 속도로 SrRuO3 막을 증착할 수 있고 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 SrRuO3 막을 증착하는 공정에서 비정상 방전의 발생을 예방할 수 있는 SrRuO3 막 제조 방법을 제공하는 것이다.
집중적인 조사와 연구의 결과로, 본 발명자들은 이하에서 기술될 것과 같이,스퍼터링, 특히 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 SrRuO3 막을 증착하는 경우에, 높은 증착 속도로 고품질 SrRuO3 막을 얻으면서 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링을 사용하고 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 SrRuO3 막을 증착하기 위한 산소-포함 분위기의 압력을 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만으로 설정함으로써 비정상 방전을 예방하는 것이 가능하다는 새로운 발견을 얻음으로써 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 성취하기 위해서, 본 발명의 한 양태는 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 SrRuO3 막 증착 방법이며, 산소-포함 분위기에서 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 증착 압력에서 기판상에 SrRuO3 막을 증착하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 다른 형태의 전원을 사용하는 스퍼터링과 비교하여 장치 비용을 감소시킬 수 있는 DC 마그네트론 스퍼터링을 사용함으로써, SrRuO3 막의 품질을 개선하면서 비교적 높은 증착 속도를 얻고 비정상 방전의 발생을 예방하는 것이 가능하다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시태양에 따른 SrRuO3 막을 위한 막 증착 장치의 개략적 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 한 실시태양에 따른 SrRuO3 막을 증착하기 위한 오프셋 회전 증착-형식 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 한 실시태양에 따른 SrRuO3 막을 증착하기 위한 오프셋 회전 증착-형식 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 방법에 의해 형성된 SrRuO3 막의 X-레이 회절 패턴(2θ/ω 스캔 모드)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시태양에 따른 방법에 의해 형성된 SrRuO3 막의 X-레이 회절 패턴(φ 스캔 모드)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시태양에 따른 방법에 의해 형성된 SrRuO3 막의 역격자를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시태양에 따른 SrRuO3 표적의 단면 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 7은 특허 문헌 1에 따른 기능성 산화물 구조 제조 장치의 개략도이다.
도 8은 특허 문헌 2에 따른 기능성 산화물 구조 제조 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명자가 특허 문헌 1의 비교 실험에서 사용한 스퍼터링 장치의 개략적 구조도이다.
도 10은 본 발명의 실시태양에 따른 오프셋 회전 증착-형식 DC 마그네트론 스퍼터링의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시태양에 따른 오프셋 회전 증착-형식 DC 마그네트론 스퍼터링의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시태양에 따른 오프셋 회전 증착-형식 DC 마그네트론 스퍼터링의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시태양에 따른 오프셋 위치를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 도면을 참조하여 상세한 본 발명의 실시태양들의 설명이 제공된다. 이하에 기술된 도면에서, 동일한 기능을 갖는 부분들은 동일한 참조 번호가 제공되며 이의 동일한 설명은 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 실시태양에 따른 SrRuO3 막 증착 장치의 개략적 구조도이다. 도면에서, 참조 부호 101은 로드 락 챔버; 102, 운반 챔버; 103, 전처리 챔버; 104, 스퍼터링 챔버; 105, 운반 로봇; 및 106 내지 108, 게이트 밸브를 나타낸다.
로드 락 챔버(101), 운반 챔버(102), 전처리 챔버(103) 및 스퍼터링 챔버(104)는 개별적으로 독립 배출 수단을 포함하는 진공 용기이다. 로드 락 챔버(101), 전처리 챔버(103) 및 스퍼터링 챔버(104)는 각각 게이트 밸브(106, 107 및 108)를 통해 운반 챔버(102)에 연결된다. 게이트 밸브(106 내지 108)는 기판이 운반되는 때를 제외하고 항상 닫혀있어서, 로드 락 챔버(101), 운반 챔버(102), 전처리 챔버(103) 및 스퍼터링 챔버(104)는 독립적으로 진공 상태이다.
이하에서, 도 1을 참조하여 상세한 본 발명의 실시태양에 따른 SrRuO3 막 증착 장치를 사용하여 SrRuO3 막을 성막하는 방법의 설명이 제공된다.
먼저, SrRuO3 막이 증착될 기판이 대기압 상태인 로드 락 챔버(101) 속에 주입되고, 로드 락 챔버(101)는 상기 독립 배출 수단에 의해 소정의 압력으로 비워진다. 다음으로, 운반 로봇(105)은 기판을 게이트 밸브(106)를 통해 진공인 운반 챔버(102)로 운반하고 기판을 게이트 밸브(107)를 통해 진공인 전처리 챔버(103)에 운반한다. 그런 후에, 전처리 챔버(103)에 운반된 기판은 소정의 전처리를 받는다. 전처리 방법은 선택된 기판(SrRuO3 막이 증착될 기판)에 따라 적절하게 설정될 필요가 있다.
스트론튬 티타네이트(SrTiO3) 기판을 사용하는 경우에, 예를 들어, 기판 온도는 기판 표면에 흡착된 물 분자 등을 제거하기 위해 500℃ 이상으로 상승될 수 있다. 이런 예열은 이하에 기술된 스퍼터링 챔버(104) 속으로 들어온 물 분자를 감소시킬 수 있고 따라서 안정한 공정을 쉽게 실행할 수 있다. 상기 열처리는 특히 트레이 상에 기판을 운반하는 경우에 바람직한데 이는 다량의 물 분자가 주로 트레이에 흡착되기 때문이다. 분명히, 상기 전처리 공정은 SrTiO3 기판에 한정되지 않으며 다른 기판에도 사용될 수 있다.
SrTiO3 기판의 표면에 있는 산소 원자는 SrTiO3 기판이 고온으로 가열될 때 결여되는 경향이 있다는 것이 알려져 있다. 따라서, 상기 예열은 산소 기체가 전처리 챔버(103)에 주입되어 SrTiO3 기판의 표면에 있는 산소 원자가 쉽게 결여되는 것을 예방하면서 실행될 수 있다.
기판으로서 Si 기판을 사용하는 경우에, 전처리 챔버(103)에서, Si 기판의 표면이 평탄화되고; Si 기판의 표면에서 산화물 막이 제거되고; 또는 산화물 막이 Si 기판의 표면에 형성된다. Si 기판의 표면을 평탄화하거나 Si 기판의 표면에서 산화물 막을 제거하기 위해서, 기판 온도는, 예를 들어, 진공으로 850℃ 이상으로 증가된다. Si 기판의 표면에서 산화물 막을 제거하는 다른 방법으로서, 산화물 막은 활성 기체 또는 기타를 사용하여 화학적으로 제거될 수 있다. Si 기판의 표면에 산화물 막을 성막하기 위해서, 산소-포함 기체에서 Si 기판을 가열하는 방법을 사용할 수 있다.
기판으로서 Si 기판을 사용하는 경우에, 때때로 SrRuO3 막과 Si 기판 사이에 하부층을 추가로 형성하는 것이 필요하며, 하부층은 SrRuO3 막과 Si 기판을 위한 재료와 다른 재료로 제조된다. 이런 경우에, 전처리 챔버(103)는 하부층을 형성하기 위한 증착 장치로서 사용될 수 있다. 하부층에 대한 후보의 대표적인 예들은, 예를 들어, 티타늄(Ti), Pt 및 SrTiO3이다. 하부층의 증착 방법은 특히 제한되지 않으며, 하부층의 증착에 바람직한 방법은 진공 증착, 스퍼터링, MOCVD, MBE 등으로부터 선택될 수 있다.
전처리 챔버(103)에서 전처리는 항상 단일 공정으로 구성되지 않으며 상기 예열, 평탄화, 산화물 막 성막/제거, 하부층 형성 공정을 포함하는 일련의 공정으로 구성될 수 있다. SrTiO3 기판을 사용하는 경우에, 예를 들어, 상기한 대로 산소 기체를 주입함으로써 전처리 챔버(103)에서 예열이 실행되며, SrTiO3 막을 호모에피택시얼로 성장시키는 다른 전처리 공정이 전처리 챔버(103)에서 실행될 수 있다. 이런 전처리는 SrTiO3 기판의 표면에 존재하는 결함들을 제거할 수 있고 나중에 성막된 SrRuO3 막의 결정성을 추가로 증가시킨다. 또한, Si 기판을 사용하는 경우에, 평탄화 공정 후에 산화 공정이 이어질 수 있고 Pt/Ti 박막을 성막하는 공정이 추가로 이어질 수 있다.
전처리가 전처리 챔버(103)에서 실행된 후, 기판은 운반 로봇(105)을 사용하여 게이트 밸브(107)를 통해 전처리 챔버(103)로부터 제거되고 그런 후에 게이트 밸브(108)를 통해 진공인 스퍼터링 챔버(104)에 운반된다. 결국, 스퍼터링 챔버(104)에서, 기판에 소정의 조건하에서 스퍼터링에 의해 막 증착이 실행되어, SrRuO3 막이 기판상에 성막된다.
스퍼터링 챔버(104)에서 실행된 공정은 SrRuO3 막을 증착하는 적어도 하나의 공정을 포함하는 것만이 요구된다. (예열, 평탄화, 산화물 막 성막/제거, 하부층 형성 공정을 포함하는) 상기 전처리는 스퍼터링 챔버(104)에서 실행될 수 있다. 예를 들어, 기판 온도는 SrRuO3 막이 스퍼터링 챔버(104)에서 증착되기 전에 스퍼터링 챔버(104)에서 전처리로서 예열 온도로 설정될 수 있다. 또한, 산화물 막의 성막은 SrRuO3 막이 스퍼터링 챔버(104)에서 결국 증착되기 전에 스퍼터링 챔버(104)에서 기저막의 형성보다 앞서는 전처리로서 스퍼터링 챔버(104)에서 실행될 수 있다. 스퍼터링 챔버(104)에 기저막을 성막하는 공정을 실행하기 위해서, 스퍼터링 챔버(104)는 SrRuO3 막을 증착하기 위한 적어도 하나의 표적 및 기저막을 증착하기 위한 표적을 포함하는 것이 필요하다.
이런 실시태양에서, 도 1에 도시된 막 증착 장치는 우수한 생산성으로 SrRuO3 막을 안정적으로 제공할 수 있는 한 예이며 운반 챔버(102) 및 전처리 챔버(103)는 일부 경우에 반드시 제공되지 않는다. 상기 전처리부터 SrRuO3 막의 증착까지의 공정은, 예를 들어, 공정에 현저한 문제가 없는 경우 스퍼터링 챔버(104)에서 실행될 수 있다. 이런 경우에, 로드 락 챔버(101) 및 스퍼터링 챔버(104)는 게이트 밸브를 통해 직접 연결된다. 이것이 운반 챔버(102) 및 전처리 챔버(103)의 설치에 대한 요구를 제거하며, 따라서 장치 비용을 상당히 감소시킨다. 또한, 전처리 공정이 일련의 복수의 공정을 포함할 때, 공정의 수에 따라 전처리 챔버(103)를 추가로 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 예열, 평탄화, 산화물 막 성막, 기저막 성막 공정은 다른 전처리 챔버(103)에서 실행될 수 있다. 공정들의 일부는 온도 조건이 크게 다르며 단일 전처리 챔버(103)에서 기판 온도를 반복적으로 올리고 내리는 것은 높은 생산성을 제공하는 것을 어렵게 한다. 이런 경우에, 복수의 전처리 챔버(103)가 사용된다. 개개의 복수의 전처리 챔버(103)에서 공정들을 실행함으로써, 공정들 사이의 시간을 단축시켜서 생산성을 현저하게 증가시키는 것이 가능하다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시태양에 따른 SrRuO3 막을 증착하기 위한 오프셋 회전 증착-형식 마그네트론 스퍼터링 장치의 한 예의 개략적 구성도이다. 도 2a는 통상의 오프셋 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링 장치를 도시하는 도면이며 기판 홀더의 중앙 위치는 수평 방향으로 표적의 중앙 위치로부터 떨어져 있고(이하에서, 오프셋되고), 기판 홀더의 수직 방향은 표적의 수직 방향에 평행하게 위치된다. 도 2b는 경사진 회전 증착-형식 마그네트론 스퍼터링 장치를 도시하는 도면이며 기판 홀더의 중앙 위치는 수평 방향으로 표적의 중앙 위치로부터 오프셋되고 기판 홀더의 수직 방향과 표적의 수직 방향은 0 초과 및 90도 미만의 각도로 배열된다. 도면에서, 참조 번호 201은 진공 용기; 202, 챔버 쉴드; 203, 회전 셔터; 204, 회전 셔터를 위한 회전 장치; 205, 기판 홀더; 206, 기판 홀더를 위한 상하 회전 장치; 207, 표적; 208, 음극; 209, 자석 유닛; 210, 전원; 211, 기체 공급원; 212, 진공 펌프; 213, 기판; 및 214, 트레이를 나타낸다.
진공 용기(201)는 SUS 또는 Al 또는 기타의 금속 부재를 포함하며 진공 펌프(212)에 의해 비워진다. 진공 용기(201)의 최종 압력은 특히 제한되지 않는다. 최종 압력은 바람직하게는 생산된 막 속에 혼합된 불순물을 감소시키고 높은 결정성을 얻기 위해서 1x10-3 Pa 이하 및 더욱 바람직하게는 1x10-4 Pa 이하이다. 또한, 진공 용기(201)의 벽 표면의 온도의 증가는 수냉 또는 기타에 의해 예방하는 것이 바람직하다.
챔버 쉴드(202) 및 회전 셔터(203) 각각은 SUS 또는 Al 또는 기타의 금속 부재로 형성된다. 그러나, 챔버 쉴드(202) 및 회전 셔터(203)는 기판 홀더(205)로부터의 복사열 때문에 뜨거운 경향이 있다. 따라서, 챔버 쉴드(202) 및 회전 셔터(203)는 뜨거워질 때 변형되지 않거나 불순물을 방출하지 않는 재료로 각각 형성될 필요가 있다. 또한, 챔버 쉴드(202) 및/또는 회전 셔터(203)는 큰 열 용량을 가지며 기판 홀더(205)의 온도에서 변화를 수반하는 낮은 능력을 가지는 경향이 있다. 이런 경우에, 챔버 쉴드(202) 및/또는 회전 셔터(203)로부터의 복사열이 기판(213)의 열 안정성을 떨어뜨린다. 따라서, 챔버 쉴드(202) 및/또는 회전 셔터(203)를 냉각시킴으로써 챔버 쉴드(202) 및/또는 회전 셔터(203)로부터의 복사열을 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 기판의 온도 안정성은 챔버 쉴드(202) 및/또는 회전 셔터(203)를 비교적 안정한 온도로 가열함으로써 개선될 수 있다.
기판 홀더(205)는 도시되지 않은 기판 가열 장치를 포함하며 기판(103)을 가열할 수 있다. 기판 홀더(205)는 상하 회전 장치(206)에 연결된다. 상하 회전 장치(206)는 기판 홀더(205)를 상하로 이동시키고 기판 홀더(205)를 회전시킬 수 있다. 상하 회전 장치(206)를 구동시킴으로써, 기판 홀더(205)는 균일한 두께 분포를 제공할 수 있는 높이와 회전 속도로 조절될 수 있다.
표적(207)은 구리(Cu) 또는 기타로 제조된 도시되지 않은 결합판을 통해 음극(208)에 연결되며 음극(208)은 전원(210)에 연결된다. 전원(210)을 구동함으로써, 표적(207)에 스퍼터링을 가능하게 하는 전력이 공급된다. 음극(208)에 표적의 온도 증가를 예방하기 위한 수냉 장치 및 마그네트론 스퍼터링을 실행하기 위한 자석 유닛(209)이 제공된다. 전원(210)의 종류는 비용의 면에서 DC 전원이 바람직하나 DC 펄스 전원 또는 라디오-주파수(RF) 전원일 수 있다.
도 2a 및 2b는 이중 음극-형식 스퍼터링 장치를 도시한다(한 쪽에 있는 음극, 표적, 자석 유닛 및 전원의 참조 번호는 도시되지 않는다). 스퍼터링 장치는 단일 음극-형식 또는 둘 이상의 음극-형식일 수 있다. 단일 음극-형식은 SrRuO3 막만을 증착할 수 있고 둘 이상의 음극-형식은 기저막을 추가로 성막할 수 있다. 또한, 둘 이상의 음극-형식 스퍼터링 장치에서, 동일한 형태의 표적은 증착 속도를 증가시키기 위해 동시에 스퍼터링을 위한 복수의 음극에 부착될 수 있다.
표적(207)의 재료는 바람직하게는 SrRuO3이나 결여된 산소 원자를 가진 SrRuOX(X: 3 미만의 양수)일수 있다. 또한, 표적(207)은 스트론튬 산화물(SrO) 및 루테늄(Ru) 또는 SrO 및 RuO2로 제조된 복합 표적일 수 있다.
스퍼터링에 사용된 기체는 바람직하게는 아르곤(Ar)와 같은 불활성 기체 및 산소 기체의 기체 혼합물이다. 이런 기체는 도시되지 않은 질량 흐름 제어기(MFC)를 통해 기체 공급원(211)으로부터 진공 용기(201) 속으로 유속이 제어되며 주입된다. 도 2a 및 2b에 도시된 각각의 스퍼터링 장치는 도면을 복잡하게 하지 않도록 단일 기체 공급원(211)만을 포함한다. 그러나, 기체 공급원의 수는 실질적으로 하나일 필요가 없고, 불활성 기체 공급원 및 산소 기체 공급원이 각자 제공될 수 있다. 이런 경우에, 기체들은 각 기체 공급원으로부터 도시되지 않은 MFC를 통해 진공 용기(201) 속으로 개별적으로 공급되어 개개의 유속은 독립적으로 제어될 수 있다. 기체를 사용하지 않는 경우에, MFC 및 진공 용기(201) 사이의 도시되지 않은 밸브는 기체가 진공 용기(201) 속으로 주입되는 것을 막기 위해 닫힌다.
진공 펌프(212)는 도시되지 않은 게이트 밸브를 통해 진공 용기(201)에 연결된다. 막 증착의 공정에서, 상기한 기체는 게이트 밸브의 개구부가 진공 용기(201)의 압력을 소정의 압력으로 제어하도록 조절됨에 따라 주입된다.
기판(213) 또는 트레이(214)는 홀더(205) 상에 직접 위치되거나 도시되지 않은 기판 또는 트레이 지지 장치에 의해 홀더와 떨어져 위치된다. 기판이 작은 지름을 가질 때 트레이(214)가 사용된다. 복수의 기판이 동시 증착을 위해 트레이 상에 위치된다. 분명히, 기판이 Si 기판과 같이 큰 지름을 가질 때 트레이를 사용하는 것이 필수적이지 않다.
기판(213)의 재료는 목표 장치의 각 형태에 대해 적절하게 설정될 필요가 있다. 트레이의 재료는 고온에서 가열에 저항성이 있는 금속 재료 또는 세라믹 재료의 다양한 형태를 포함할 수 있다. 트레이(214)가 고온에서 기판 홀더(205)에 의해 운반될 때, 트레이(214)는 열 충격에 의해 파괴될 수 있다. 따라서 트레이(214)에 대한 열 충격에 저항성이 있는 재료를 선택하는 것이 필수적이다.
이하에서, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 실시태양에 따른 스퍼터링 장치를 사용하여 SrRuO3 막을 성막하는 방법의 한 예의 설명이 제공된다. 본 발명에서 기술된 예에서, 표적(207)은 SrRuO3 표적이다. 표적은 결여된 산소 원자를 가진 SrRuOX 표적일 수 있다.
먼저, 기판(213)(작은 지름 기판의 경우 트레이(214)를 포함)이 기판 홀더(205)에 위치되고, 기판 홀더(205)의 높이 및 회전 속도가 SrRuO3 막의 두께 분포가 균일하도록 조절된다. 그런 후에, 기판 홀더(205)에 포함된 도시되지 않은 기판 가열 장치가 작동하여 기판 온도를 소정의 증착 온도로 조절한다. 소정의 증착 온도는 바람직하게는 450℃ 이상의 온도이며, 450℃ 미만의 증착 온도는 바람직하지 않은데 이는 SrRuO3 막이 이 온도에서 거의 결정화되기 않기 때문이다. 또한, 기판(213)을 운반하는 공정에서 기판 홀더(205)의 온도는 실온일 필요가 없고 기판 홀더(205)에 포함된 도시되지 않은 기판 가열 장치를 미리 작동시킴으로써 소정의 증착 온도를 제공할 수 있는 이런 홀더 온도로 미리 설정될 수 있다. 상기 방법을 사용하는 것이 바람직한데 이는 기판(213)의 온도를 증가시키는데 걸린 시간은 생산성 증가를 유도하도록 단축될 수 있기 때문이다.
다음으로, 불활성 기체와 산소 기체는 도시되지 않은 MFC를 통해 불활성 기체 공급원(211)으로부터 진공 용기(201)로 유속이 제어되며 주입된다. 또한, 진공 펌프(212) 및 진공 용기(201) 사이의 도시되지 않은 게이트 밸브의 개구부는 진공 용기(201)에서 산소-포함 대기의 압력을 소정의 압력으로 제어하도록 조절된다. 이 공정에서 소정의 압력은 바람직하게는 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만이다. 산소-포함 대기의 압력이 1.0 Pa 미만일 때, 얻은 SrRuO3 막은 우수한 결정성을 갖지 않으며, 8.0 Pa 미만이 아닐 때, 비정상 방전이 일어나기 더 쉬우며, 이는 바람직하지 않다. 소정의 압력은 더욱 바람직하게는 1.5 Pa 이상 및 5.0 Pa 미만 및 가장 바람직하게는 2.0 Pa 이상 및 3.0 Pa 미만이다.
불활성 기체 공급원(211)으로부터 진공 용기(201)로 주입된 불활성 기체 및 산소 기체의 기체 혼합물 비는 특히 제한되지 않으며, 산소 기체의 비(유속 비)는 0 내지 100% 범위에서 임의의 값일 수 있다. 그러나, 산소 기체 비가 0%일 때, SrRuO3 막에서 산소 기체는 더욱더 결여되기 쉬우며, 이의 결정 품질은 낮아지는 경향이 있다. 따라서 산소 기체 농도는 0%보다 높은 것이 바람직하다. 산소 기체 비가 50% 이상일 때, 증착 속도는 매우 낮다. 따라서 장치가 생산에 사용될 때 산소 기체 농도는 50% 미만이 바람직하다.
다음으로, 회전 장치(204)는 회전 셔터(203)의 상기 비-개구부를 SrRuO3 표적으로 구성된 표적(207)에 배치하도록 구동된다. 그런 후에, 전력이 음극(208)을 통해 전원(210)으로부터 표적(207)으로 인가되어 표적(207)과 상기 비-개구부 사이에 플라즈마를 생성한다. 표적(207)은 생성된 플라즈마에 의해 전-스퍼터되고, 표적(207)의 표면은 세척된다. 또한, 방출된 스퍼터된 입자는 비-개구부에 부착된다. 가장 바람직하게는, 본 발명에 인가된 전력은 DC 전력이다. 이것은 다른 형태의 전력을 위한 여러 전원은 고가이고 다른 특수 장치 구성을 필요로 하기 때문이다. RF 전력을 사용하는 경우, 예를 들어, 매칭 박스(matching box)가 필요하다. 따라서 다른 형태의 전력의 사용은 장치 비용을 증가시키는 경향이 있다. 그러나, 본 발명의 효과는 RF 전력 또는 DC 펄스 전력이 사용되는 경우에도 얻을 수 있고 인가된 전력은 반드시 DC 전력이 아니다.
다음으로, 회전 장치(204)는 회전 셔터(203)의 상기 비-개구부를 SrRuO3 표적으로 구성된 표적(207)에 배치하도록 구동되고 스퍼터링에 의해 증착이 시작된다. 표적으로부터 방출된 스퍼터된 입자는 개구부를 통해 기판(213)에 도달하여, SrRuO3 막을 성막한다.
이렇게 구성된 장치와 공정을 사용함으로써, 높은 증착 속도로 고품질 SrRuO3 막을 얻으면서 비정상 방전을 예방하는 것이 가능하다.
상기한 본 발명의 실시태양에서, 도 1에 도시된 SrRuO3 막 증착 장치 및 (도 2a 및 2b에 도시된) SrRuO3 막을 증착하기 위한 오프셋 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링 장치는 산소 기체를 주입하면서 1.0 Pa 이상과 8.0 Pa 미만의 압력으로 SrRuO3 막을 형성한다. 따라서, DC 마그네트론 스퍼터링을 사용하는 경우에 높은 증착 속도로 고품질 SrRuO3 막을 얻으며 비정상 방전을 예방하는 것이 가능하다. 또한, SrRuO3 막은 SrRuO3 막의 증착 이전 전처리를 포함하여 높은 생산성으로 제조될 수 있다.
(실시예)
본 발명의 제 1 실시예로서, SrTiO3(001) 기판상에 형성된 SrRuO3 막의 예의 설명이 제공된다.
SrRuO3 막을 도 1에 도시된 증착 장치를 사용하는 오프셋 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링에 의해 SrTiO3(001) 기판상에 성막하였다. 도 2b에 도시된 경사진 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링 장치를 도 1에 도시된 스퍼터링 챔버(104)로 사용하였고 각 공정의 처리는 다음 조건하에서 실행하였다. 전처리 챔버(103)에서, 기판 온도를 예열을 위한 산소 기체에서 650℃로 증가시켰다.
처리 장치: 경사진 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링 장치
최종 압력: 2x10-5 Pa
기판: 2-인치 SrTiO3(001)
트레이: 2-인치 기판을 운반하기 위한 인코넬 트레이
표적 재료: 소결된 SrRuOX 표적
표적 크기: 110mm 지름(원형 모양), 5mm 두께
표적 밀도: 90%
표적 중심과 기판 사이의 수직 거리: 160mm
공정 기체: Ar/O2 혼합 기체
공정에서 O2 기체 비: 4%
스퍼터링을 위한 전원: DC 전원
공정 전력 입력: 350W
공정 압력: 0.5-300 Pa
공정 온도: 600℃
증착 시간: 1800초
도 3, 4 및 5는 상기 조건하에서 제조된 SrRuO3 막의 결정성에 대한 X-레이 회절(XRD) 장치를 사용하는 평가 결과이다(증착 압력은 2.5 Pa이었다). 그래프에서, STO는 SrTiO3를 의미하며, SRO는 SrRuO3를 의미한다. SrRuO3의 결정 시스템으로서, 3가지 형태의 시스템이 존재한다: 등축 정계 시스템, 정방 정계 시스템 및 사방 정계 시스템. 그러나, 이런 시스템을 서로 구별하는 것은 매우 어렵다. 또한, SrRuO3 막의 시스템이 등축 정계 시스템으로 처리되는 경우에도 여러 경우에 현저한 문제가 없을 것이다. 따라서, SrRuO3는 본 명세서에서 등축 정계 시스템인 것으로 가정한다.
도 3은 대칭 반사 위치(기판 표면에 평행한 평면을 관찰하기 위한 위치)에서 2θ/ω 스캔 모드의 XRD 측정에 의한 SrRuO3 막의 평가 결과를 나타낸다. 22.75°및 46.45°의 2θ에서 회절 피크는 SrRuO3의 (001) 평면 및 (002) 평면의 회절 피크이다. 22.15°및 45.25°의 2θ에서 회절 피크는 SrRuO3의 (001) 평면 및 (002) 평면의 회절 피크이다. 대칭 반사 위치에서 2θ/ω 스캔 모드에 의한 XRD 측정에서, SrRuO3 막은 단지 (001) 평면 및 (002) 평면의 회절 피크를 가진다. 이것은 얻은 SrRuO3 막이 c-축 배향이라는 것을 나타낸다.
도 4는 인-플레인 위치(기판 표면에 수직인 격자 평면을 관찰하기 위한 위치)에서 φ 스캔 모드로 XRD 측정에 의한 SrRuO3 막의 평가 결과를 나타낸다. 측정에 사용된 격자 평면은 SrRuO3{200}이다. {200}은 (200) 평면 및 (-200), (-2-20) 및 (2-20)을 포함하는 이의 동등한 평면을 의미한다. φ 스캔 모드에 의한 측정에서, 4개의 날카로운 피크가 이런 방식으로 90도의 간격으로 관찰된다. 이것은 SrRuO3 막이 에피택시얼로 성장한다는 것을 나타낸다. 또한, SrTiO3에 의한 인-플레인 배향 관계는 SrRuO3(100)//SrTiO3(100)이었다는 것이 확인된다.
도 5는 XRD 역격자 매핑 측정에 의한 SrRuO3 막의 평가 결과를 나타낸다. 측정에서, SrTiO3 막 및 SrRuO3 막을 (-204) 평면 근처 역격자 공간의 면에서 측정하였다. SrTiO3 막의 (-204) 평면 및 SrRuO3 막의 (-204) 평면이 역격자 공간에서 동일한 QX 좌표 상에서 관찰되기 때문에, SrRuO3 막은 SrTiO3 막 상에 밀착되게 성장되는 것을 확인할 수 있다.
상기한 대로, 상기 조건(증착 압력은 2.5 Pa이다)하에서 성막된 SrRuO3 막은 매우 우수한 결정성을 가졌다는 것이 확인된다. 이런 공정에서 SrRuO3 막의 증착 속도는 특허 문헌 1에 기술된 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링을 위한 바람직한 증착 속도(10nm/h 이상)를 충분하게 만족시키는 증착 속도인 60nm/h이었다. 또한, 증착 압력을 0.5 Pa 이상 및 300 Pa 미만의 범위에서 변화시키면서 동일한 실험을 실행하였다. 그런 후에 결정성이 뛰어난 에피택실 막은 증착 압력이 1.0 Pa 이상일 때 얻었다는 것을 확인하였다.
한편, 8.0 Pa 미만으로 설정된 증착 압력에 의한 실험에서, 비정상 방전이 일어나지 않았다. 8.0 Pa 이상으로 설정된 증착 압력에 의한 실험에서, 비정상 방전은 더욱 일어나기 쉬웠고, 여러 입자가 증착된 SrRuO3 막의 표면상에 존재하였다는 것을 확인하였다. 비정상 방전의 원인을 조사하기 위해서, 본 발명자들은 또한 비정상 방전이 일어난 후 표적의 관찰과 평가를 실행하였다.
도 6은 비정상 방전의 발생 이후 SrRuO3 표적의 단면 프로파일을 도시하는 도면이다. 도면에서, 참조 번호 601은 SrRuO3 표적; 602, 부식 부분; 및 603, 비-부식 부분을 나타낸다. 부식 부분(602)은 이 앞에 마그네트론 스퍼터링에서 자석 유닛으로부터 인가된 자기장에 의해 증착 동안 비교적 고밀도의 플라즈마가 형성되었고, 형성된 플라즈마에 의해 스퍼터링 현상이 진행된 지역이다. 따라서, 부식 부분(602)은 증착 동안 통합 전류(integrated electricity)가 증가함에 따라 더 깊어졌다. 한편, 비-부식 부분(603)에서, 스퍼터링 현상은 증착 동안 많이 진행되지 않았는데 이는 플라즈마 밀도가 비-부식 부분(603)의 앞에서 낮았기 때문이다.
도 6에서, 비정상 방전의 발생 이후 SrRuO3 표적의 표면에서, 단지 부식 부분(602)이 부드럽고 비-부식 부분(603)이 분화구와 같은 무수한 미세구를 포함한다는 것이 확인된다. 또한, 표적 근처의 상황은 이 실시태양에서 사용된 스퍼터링 장치의 관찰구로부터 확인하였다. 그런 후에 무수한 불꽃 입자가 비정상 방전의 경우에 표적 표면으로부터 방출되었다는 것이 확인된다. 다시 말하면, 미세구는 비정상 방전에 의해 형성되는 것으로 생각되고 단지 비-부식 부분(603)에서 형성되는 것으로 생각된다.
따라서 본 발명자들은 비-부식 부분(603)의 표면에 대한 조성물 분석을 실행하였다. 이것이 비-부식 부분(603)의 표면이 과량의 Sr을 포함하였다는 것을 나타낸다. Sr은 쉽게 산화 가능한 재료이다. 따라서, 금속성 Sr이 산소-포함 분위기에서 스퍼터링 공정 동안 SrRuO3 표적(601) 상에 안정하게 존재하고 Sr이 절연 SrO의 형태로 존재하는 것으로 생각되지 않는다.
따라서, 상기한 비정상 방전의 원인은 다음 인자인 것으로 결론내릴 수 있다. 구체적으로, SrRuO3 표적(601)이 스퍼터될 때, 스퍼터된 입자는 주로 부식 부분(602)으로부터 방출되고, 입자의 일부는 절연 SrO로 방출되어 비-부식 부분(603)에 재부착된다. 선택적으로, 스퍼터된 입자의 일부는 금속성 Sr로 방출되며, 비-부식 부분(603)에 재부착되고 분위기에 포함된 산소에 의해 산화되어 절연 SrO를 형성하는 것으로 생각된다. 절연 SrO는 이런 방식으로 비-부식 부분(603)의 표면에 형성되기 때문에, SrO는 DC 스퍼터링의 과정 동안 충전되고 결국 비정상 방전에 도달하는 절연 파괴를 일으킨다. 증착 압력이 8.0 Pa 미만일 때 비정상 방전이 일어나기 쉬운 이유는 여전히 알려져 있지 않다.
상기한 대로, 산소-포함 분위기 및 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 증착 압력을 포함하는 증착 조건하에서 도 2a 및 2b에 도시된 오프셋 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용함으로써, 높은 증착 속도로 고품질 SrRuO3 막을 얻으면서 비정상 방전을 예방하는 것이 가능하다.
(비교예)
본 발명에 대한 비교예로서, 도 7에 도시된 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 실시예의 조건과 동일한 조건하에서 SrRuO3 막을 성막하였다.
그 결과, 증착 압력이 8.0 Pa 이상으로 설정되었을 때, 고품질 SrRuO3 막을 얻었으나, 비정상 방전의 발생을 예방하는 것은 어렵다는 것이 분명해졌다. 한편, 증착 압력을 8.0 Pa 미만으로 설정하였을 때, 비정상 방전의 발생은 예방되었으나, 고품질 SrRuO3 막을 얻는 것은 어렵다는 것이 분명해졌다.
이런 비교예에서, 8.0 Pa 이상의 증착 압력에서 발생된 비정상 방전은 비-부식 부분에 대한 SrO의 상기한 재부착에 의한 것으로 결론내릴 수 있다. 또한, 증착 압력을 8.0 Pa 미만으로 설정하였을 때, 특허 문헌 1에 기술된 대로 고에너지 입자에 의한 손상 때문에 고품질 SrRuO3 막을 얻는 것은 어렵다고 생각된다.
증착 압력이 8.0 Pa 이상이었을 때에도, 비정상 방전의 가능성은 공정 전력 입력을 약 50W로 줄임으로써 감소되었으나, 동시에 증착 속도는 현저하게 감소도고 생산성은 낮아졌다는 것을 나타내었다.
따라서, 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링은 증착 조건으로서 산소-포함 분위기 및 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 증착 압력을 사용함으로써 높은 증착 속도로 고품질 SrRuO3 막을 제공하면서 비정상 방전을 예방할 수 있다. 한편, 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링에서, 증착 압력이 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만일 때 고품질 SrRuO3 막을 얻는 것은 어렵고 증착 압력이 8.0 Pa 이상일 때 비정상 방전의 발생을 예방하면서 높은 증착 속도를 제공하는 것은 어렵다.
특허 문헌 1에 기술된 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링의 증착 속도에 필적할만한 본 발명에 따른 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링에서 높은 증착 속도를 제공할 수 있는 첫 번째 요인은 증착이 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 비교적 낮은 압력으로 실행될 수 있다는 것이며, 낮은 압력에 의한 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링은 고품질 SrRuO3 막을 거의 제공할 수 없다. 분명히 말하자면, 증착 압력은 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링의 증착 압력보다 낮게 설정될 수 있기 때문에, 표적으로부터 방출된 스퍼터된 입자의 분산은 기체 입자 때문에 감소되어 기판에 도달하는 스퍼터된 압자를 증가시켜서 높은 증착 속도를 제공한다고 생각된다.
상기한 대로 본 발명에 "1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 비교적 낮은 압력으로 SrRuO3 막을 성막하는 것이 가능하며 낮은 압력에 의한 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링에 의해 고품질 SrRuO3 막을 얻을 수 없다"는 설명이 제공된다.
도 10은 특허 문헌 1에 기술된 통상의 정지 표적-대향 형태 마그네트론 스퍼터링의 상황을 설명하는 도면이다. 도 10에서, 표적(1001) 및 기판(1002)은 서로 대향하도록 위치되고, 기판(1002)은 정지상태로 유지된다. 도 10에서, 일반적으로, 표적(1001)이 원형일 때 기판(1002)은 원형이며, 표적(1001)이 직사각형일 때 기판(1002)은 원형이다. 그러나, 기판(1002)이 직사각형일 때 표적(1001)은 원형일 수 있으며, 기판(1002)이 원형일 때 표적(1001)은 직사각형일 수 있다.
일반적으로, 표적을 스퍼터링하여 발생된 고에너지 입자가 기판에 수직으로 입사할 때 기판은 대부분 손상되기 쉽다고 생각된다. 도 10에 도시된 정지 표적-대향 형태 스퍼터링의 경우에, 표적(1001)은 기판(1002)을 대향하도록 위치된다. 따라서 기판(1002)은 표적(1001)으로 덮이고 기판(1002)에 수직으로 입사하는 고에너지 입자(1003)로 항상 조사되기가 더욱 쉬어진다. 따라서, 손상은 기판(1002)의 전체 처리 표면 전부로 축적된다. 참조 번호 1002a는 고에너지 입자에 의한 손상이 기판(1002)에 축적되는 지역을 나타낸다. 특허 문헌 1에서, 고에너지 입자를 분산하기 위해 증착 압력을 8.0 Pa 이상으로 설정함으로써, 고에너지 입자의 가속은 감소되어, 손상을 감소시킨다. 반대로, 특허 문헌 1에 개시된 대로 도 10에 도시된 정지 표적-대향 형태 스퍼터링에서 증착 압력을 8.0 Pa 미만으로 설정할 때, 고에너지 입자(1003)의 가속을 감소시키는 효과는 감소하며, 많은 손상 축적 지역(1002a)이 기판(1002)에 형성된다.
한편, 본 발명의 실시태양은 예로서 도 2a에 도시된 대로 다음 방법을 사용한다: 기판의 중앙(기판 홀더의 중앙)은 표적의 중앙으로부터 오프셋되는데, 즉, 표적과 기판은 표적이 기판 위에 투영될 때, 기판이 표적의 투영된 이미지가 형성되지 않는 지역을 포함하며; 기판은 처리된 기판의 수직 방향 주위를 회전하도록 배열된다(오프셋 회전 증착). 따라서, 증착 동안 특정한 순간에, 기판은 기판상에 수직으로 입사된 고에너지 입자가 입사되지 않는 지역(즉, 상기 투영된 이미지가 형성되지 않는 지역)을 포함한다. 분명히 말하자면, (도 2a에 도시된 오프셋 배열에 해당하는) 도 11에 도시된 대로, 기판(1002)상에 수직으로 입사된 고에너지 입자(1003)에 노출되지 않는 지역이 특정 순간에 기판(1002)에 형성될 수 있다. 도 11에서, 기판(1002)은 기판의 처리된 표면의 수직 방향 주위를 회전하기 때문에, 기판상에 수직으로 입사된 고에너지 입자에 항상 노출되지 않는 지역(1004)이 처리된 표면에 형성될 수 있다. 따라서 고에너지 입자에 의한 기판의 손상을 감소시키는 것이 가능하다. 다시 말하면, 기판(1002)의 처리된 표면은 덜 손상된 손상 지역(1002b)이다.
도 2b에 도시된 대로, 본 발명의 실시태양의 다른 예는 기판의 중앙(기판 홀더의 중앙)이 경사진 표적의 중앙으로부터 오프셋되고 기판은 처리된 기판의 수직 방향 주위를 회전하도록 배열되는(오프셋 회전 증착) 방법을 사용한다. 이 방법에서, 표적과 기판은 표적이 기판 위에 투영될 때, 기판이 표적의 투영된 이미지가 형성되지 않는 지역을 포함하도록 배열된다. 따라서, 표적(1001)의 스퍼터된 표면(1001a)의 수직 방향으로 전파되는 고에너지 입자(1005)가 입사되지 않는 지역(즉, 상기 투영된 이미지가 형성되지 않는 지역)이 증착 동안 특정 순간에 기판에 형성될 수 있다. 다시 말하면, (도 2b에 도시된 오프셋 위치에 해당하는) 도 12에 도시된 대로, 스퍼터된 표면(1001a)의 수직 방향으로 진행하는 고에너지 입자(1005)에 노출되지 않는 지역(1004)이 특정 순간에 기판(1002)에 형성될 수 있다. 도 12에서, 기판(1002)은 기판의 처리된 표면의 수직 방향 주위를 회전하기 때문에, 기판상에 수직으로 입사된 고에너지 입자에 항상 노출되지 않는 지역이 처리된 표면에 형성될 수 있다. 따라서 고에너지 입자에 의한 기판의 손상을 감소시키는 것이 가능하다. 다시 말하면, 기판(1002)의 처리된 표면은 덜 손상된 손상 지역(1002b)이다.
상기한 오프셋 위치로서, 표적과 기판은 상기 투영된 이미지가 표적으로부터 기판의 중상의 반대쪽 상에 형성되지 않도록 배열되는 것이 바람직하다. 분명히 말하자면, 도 13에 도시된 대로, 표적과 기판은 표적의 투영된 이미지(1303)가 기판(1301)의 중앙(1302)의 표적면 상에 형성되도록 배열되는 것이 바람직하다. 이런 배열에서, 회전된 기판을 위한 막 증착에서, 본 발명에서 가장 손상이 일어나기 쉬운 고에너지 입자(1003 및 1005)에 항상 노출된 지역을 제거하는 것이 가능하다. 표적의 투여된 이미지가 기판상에 형성되지 않는 것이 더욱 바람직하다. 이런 배열은 기판의 처리된 표면의 전체 표면이 고에너지 입자(1003 및 1005)에 노출되지 않는 것을 예방할 수 있어서, 손상을 최소화한다.
상기한 대로, 오프셋 회전 증착에 의해, 고에너지 입자의 가속을 감소시키지 않고 기판에 대한 손상을 감소시키는 것이 가능하다. 구체적으로, 증착 압력이 8.0 Pa 미만으로 비교적 낮게 설정되는 경우에도 SrRuO3에 대한 손상을 감소시키는 것이 가능하다.
특허 문헌 1에 기술된 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링의 증착 속도에 필적할만한 높은 증착 속도를 제공하는 두 번째 요인은 상기한 비교적 낮은 압력을 사용함으로써, 비정상 방전이 덜 일어날 수 있다는 것이며, 공정 전력 입력은 증가될 수 있다. 구체적으로, 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링은 고품질 SrRuO3 막을 제공하기 위해 8.0 Pa 이상의 증착 압력을 필요로 한다. 그러나, DC 마그네트론 스퍼터링이 이런 고압으로 사용되는 경우, 비정상 방전은 더욱 일어나기 쉽다. 비정상 방전의 발생을 감소시키기 위해서, 공정 전력 입력을 감소시키는 것이 필요하며, 이것이 높은 증착 속도를 제공하는 것을 어렵게 만든다. 한편, 본 발명에 따른 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해, 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 비교적 낮은 압력으로 고품질 SrRuO3 막을 쉽게 얻을 수 있으며, 이런 비교적 낮은 압력하에서 비정상 방전은 덜 일어날 수 있다. 따라서 전력 입력은 증가될 수 있고 높은 증착 속도가 제공될 수 있다고 생각된다.
상기한 이유들 때문에, 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링에 비해 증착 속도 면에서 일반적으로 불리한 오프셋 회전 증착-형태 마그네트론 스퍼터링은 통상의 정지 표적-대향 형태 스퍼터링의 증착 속도에 필적할만한 높은 증착 속도를 얻을 수 있다고 생각할 수 있다.

Claims (19)

  1. 오프셋 회전 증착-형태 DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 SrRuO3 막 증착 방법으로서,
    산소-포함 분위기에서 1.0 Pa 이상 및 8.0 Pa 미만의 증착 압력에서 기판상에 SrRuO3 막을 증착하는 단계를 포함하는 SrRuO3 막 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    증착 압력은 1.5 Pa 이상 및 5.0 Pa 미만인 SrRuO3 막 증착 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    증착 압력은 2.0 Pa 이상 및 3.0 Pa 미만인 SrRuO3 막 증착 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    DC 마그네트론 스퍼터링은, 표적으로서, SrRuO3 표적 및 산소-결여 SrRuOX표적(X는 3 미만의 양수이다) 중 임의의 하나를 사용하는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    기판은 Si 기판 및 SrTiO3 기판 중 임의의 하나인 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    기판은 SrTiO3 기판이며,
    SrTiO3 기판을 500℃ 이상으로 가열하는 예열은 SrRuO3 막이 SrTiO3 기판상에 증착되기 전에 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    예열은 O2 기체 분위기에서 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기판은 SrTiO3 기판이며,
    SrTiO3 막은 SrRuO3 막이 SrTiO3 기판상에 증착되기 전에 SrTiO3 기판상에 호모에패택시얼로 성장되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    SrTiO3 기판을 500℃ 이상으로 가열하는 예열은 SrTiO3 막이 SrTiO3 기판상에 호모에패택시얼로 성장되기 전에 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    예열은 O2 기체 분위기에서 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    기판은 Si 기판이며,
    Si 기판을 진공에서 850℃ 이상으로 가열하는 예열은 SrRuO3 막이 Si 기판상에 증착되기 전에 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    기판은 Si 기판이며,
    Si 기판상의 산화물 막은 SrRuO3 막이 Si 기판상에 증착되기 전에 활성 기체로 제거되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  13. 제 5 항에 있어서,
    기판은 Si 기판이며,
    Si 기판은 SrRuO3 막이 Si 기판상에 증착되기 전에 산소-포함 분위기에서 가열되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  14. 제 5 항에 있어서,
    기판은 Si 기판이며,
    Si 기판상에 SrRuO3 막을 증착하는 경우에, SrRuO3 막과 Si 기판을 위한 재료와 다른 재료가 SrRuO3 막과 Si 기판 사이의 SrRuO3 막을 위한 하부층으로서 형성되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    하부층은 Ti, Pt 및 SrTiO3 중 임의의 하나로 제조되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    하부층은 진공 증착, 스퍼터링, MOCVD 및 MBE 중 임의의 하나에 의해 형성되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    기판은 기판을 운반하도록 구성된 운반 로봇이 제공된 운반 챔버로부터 운반 챔버의 주변 상에 제공된 스퍼터링 챔버로 운반되며,
    그런 후에 SrRuO3 막이 스퍼터링 챔버에서 증착되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    SrRuO3 막의 증착 이전 기판상에 실행될 전처리의 적어도 일부는 운반 챔버의 주변 상에 제공된 전처리 챔버에서 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    SrRuO3 막의 증착 이전 기판상에 실행될 전처리는 스퍼터링 챔버에서 실행되는 것인 SrRuO3 막 증착 방법.
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