TWI545212B - 介電質薄膜之成膜方法 - Google Patents
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Description
本發明，係有關於介電質薄膜之成膜方法。
現今，使用有鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3、PZT)等之強介電質的壓電元件，係被利用在噴墨頭或加速度感測器等之MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術中。
圖4，係為對於(100)/(001)配向之PZT薄膜和(111)配向之PZT薄膜的壓電特性作展示之圖表。(100)/(001)配向之PZT薄膜，係展現有較(111)配向之PZT薄膜更大的壓電特性，此事係為週知。
對於先前技術之介電質薄膜之成膜方法作說明。
在形成壓電元件的情況時，於應成膜之基板中，係使用在附有熱氧化膜之Si基板上而預先依序層積有身為密著層之Ti薄膜和身為下部電極層之貴金屬的薄膜者。貴金屬之薄膜，係為Pt或Ir之薄膜，並優先配向於(111)面。
圖5，係對於加熱基板之發熱構件的溫度變化作展示。
在被作了真空排氣之真空槽內，於此係將發熱構件升溫保持為640℃，並將基板設為適合於進行PZT薄膜之形成的成膜溫度。
若是將濺鍍氣體導入真空槽內，並對於靶材施加交流電壓，則被作了導入的濺鍍氣體係電離並電漿化。電漿中之離子，係對於靶材之表面作濺鍍，並從靶材而放出PZT之粒子。
從靶材所放出的PZT粒子之一部份，係射入被作了加熱的基板之表面，並在基板之貴金屬的薄膜上形成PZT之薄膜。
在形成了特定厚度之PZT薄膜之後，停止對於靶材之電壓施加，並停止濺鍍氣體之導入。將發熱構件降溫保持為400℃，並將基板冷卻。
圖6，係對於使用先前技術之介電質薄膜之成膜方法而在Pt薄膜上所形成了的PZT薄膜之中央部(Center)和外緣部(Edge)以及中央部和外緣部之間之中間部(Middle)的3個場所之X光繞射形態作展示。可以得知，所形成之PZT薄膜，係優先配向於(111)方向。
亦即是，在先前技術之介電質薄膜之成膜方法中，係有著難以形成作了(100)/(001)配向之PZT薄膜的問題。
[專利文獻1]日本特開2007-327106號公報
[專利文獻2]日本特開2010-084180號公報
[專利文獻3]日本特開2003-081694號公報
本發明，係為了解決上述先前技術之問題而創作者，其目的，係在於提供一種能夠形成作了(100)/(001)配向之PZT薄膜的介電質薄膜之成膜方法。
本發明者們，係推測到，在先前技術之成膜方法中，於PZT薄膜之成膜初期時，會由於Pb朝向貴金屬之薄膜方向而擴散或再蒸發的影響，而在PZT薄膜中產生Pb缺陷並形成TiO2，而在TiO2/貴金屬之薄膜上所形成的PZT薄膜，係會優先配向為(111)方向，並依據此，而發現了，藉由在貴金屬之薄膜上預先形成PbO之種晶層，係能夠達成上述之目的。
根據此種知識所獲得之本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，係具備有在被作了真空排氣之真空槽內，一面加熱基板，一面對於鈦鋯酸鉛(PZT)之靶材施加電壓而進行濺鍍，以在前述基板之表面上成膜PZT之薄膜之成膜工程，該介電質薄膜之成膜方法，其特徵為：在前述成膜工程之前，係具備有：在前述基板之表面上使PbO氣體作附著並形成種晶層之種晶層形成工程。
本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係在前述真空槽內，對於在化學構造中含有Pb和O之放出源進行加熱，而從前述放出源來放出PbO之氣體。
本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係一面從前述放出源來放出PbO之氣體，一面將不會與PbO產生反應之惰性氣體導入至前述真空槽內。
本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係將前述放出源加熱至較在前述成膜工程中之前述基板的溫度而更高之溫度。
本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係將前述放出源加熱至較在前述成膜工程中之前述基板的溫度而更高了50℃以上之溫度。
本發明，係為一種介電質薄膜之成膜方法，其中，前述基板，係於表面上具備有在(111)面上作了優先配向的Pt或Ir中之其中一者的貴金屬薄膜。
由於係能夠在作了(111)配向之Pt或者是Ir的薄膜上，成膜作了(100)/(001)配向之PZT薄膜，因此，係能夠得到相較於先前技術而壓電特性為更大之壓電元件。
對於在本發明之介電質薄膜之成膜方法中所使用的介電質成膜裝置之構造作說明。
圖1，係為介電質成膜裝置10的內部構成圖。
介電質成膜裝置10，係具有真空槽11、和被配置在真空槽11內之PZT靶材21、和被配置在與靶材21相對面之位置處並保持基板31之基板保持台32、和將被保持在基板保持台32處的基板31作加熱之基板加熱部18、和對於靶材21施加電壓之濺鍍電源13、和將濺鍍氣體導入至真空槽11內之濺鍍氣體導入部14、以及在真空槽11內而被配置在從靶材21所放出之PZT粒子會作附著的位置處之第1、第2防附著板34、35。
在真空槽11之壁面處，係隔著絕緣構件28而被安裝有陰極電極22，陰極電極22和真空槽11係被作電性絕緣。將真空槽11預先設為接地電位。
陰極電極22之表面，係露出於真空槽11內。靶材21，係被密著固定在陰極電極22的表面之中央部處，靶材21係被與陰極電極22作電性連接。
濺鍍電源13，係被配置在真空槽11之外側處，並被與陰極電極22作電性連接，而構成為能夠透過陰極電極22來對於靶材21施加交流電壓。
在陰極電極22之與靶材21相反側處，係被配置有磁石裝置29。磁石裝置29，係構成為能夠在靶材21之表面上形成磁力線。
基板保持台32，於此係為碳化矽(SiC)，外周係被
形成為較基板31之外周更大，表面係被設為與靶材21之表面相對面。基板保持台32之表面的中央部，係被構成為能夠將基板31作靜電吸附保持。
若是在基板保持台32之表面的中央部處靜電吸附基板31，則基板31之背面係密著於基板保持台32之表面的中央部，基板31係成為與基板保持台32作熱性連接。
第1防附著板34，係為石英、氧化鋁等之陶瓷，並被設為其內周為較基板31之外周更大的環狀，並以將身為基板保持台32之表面的中央部之外側的外緣部作覆蓋的方式，而被作配置。因此，從靶材21所放出之粒子，係成為並不會附著在基板保持台32之表面的外緣部處。
第1防附著板34之背面，係密著於基板保持台32之表面的外緣部處，第1防附著板34係被與基板保持台32作熱性連接。
若是在基板保持台32之表面的中央部處載置基板31，則第1防附著板34係成為將較基板31之外周更外側的部分作包圍。
第2防附著板35，係為石英、氧化鋁等之陶瓷，並被設為其內周為較靶材21之外周或基板31之外周更大的筒狀。第2防附著板35，係被配置在基板保持台32和陰極電極22之間，並成為將基板31和靶材21之間的空間之側方作包圍。因此，從靶材21所放出之粒子，係成為並不會附著在真空槽11之壁面上。
基板加熱部18，係具備有發熱構件33和加熱用電源17。
發熱構件33，於此係為SiC，並被配置在基板保持台32之與基板31相反側處，加熱用電源17，係被與發熱構件33作電性連接。若是從加熱用電源17而對於發熱構件33流動直流電流，則發熱構件33係發熱，基板保持台32係被加熱，而基板保持台32上之基板31和第1防附著板34係成為一同被加熱。
基板31之背面，係密著於基板保持台32之表面的中央部處，並成為從基板31之中央部起直到外緣為止而均等地被導熱。
在發熱構件33之與基板保持台32相反側處，係被配置有冷卻裝置38。冷卻裝置38，係構成為能夠在內部使被作了溫度管理之冷媒作循環，並成為就算是發熱構件33發熱，真空槽11之壁面亦不會被加熱。
濺鍍氣體導入部14，係被與真空槽11內作連接，並成為能夠將濺鍍氣體導入至真空槽11內。
對於本發明之介電質薄膜之成膜方法作說明。
於應成膜之基板31中、於此係使用在矽基板之熱氧化膜(SiO2)上，預先依序層積有身為密著層之Ti薄膜和身為下部電極層之貴金屬的薄膜者。貴金屬之薄膜，係為Pt或Ir之薄膜，並優先配向於(111)面。
將適合於PZT薄膜之成膜的基板31之溫度(以下，稱作成膜溫度)，藉由試驗或模擬而預先求取出來。
首先，作為準備工程，在真空槽11內連接真空排氣裝置15，而對真空槽11內作真空排氣。之後，持續進行真空排氣，而將真空槽11之真空氛圍作維持。
於此，係一面維持真空槽11內之真空氛圍，一面將與應成膜之基板31相異的假基板搬入真空槽11內，並載置在基板保持台32之表面的中央部處，而進行靶材21之濺鍍，以在第1防附著板34之表面上預先使PZT之薄膜附著。接著，一面維持真空槽11內之真空氛圍，一面將假基板搬出至真空槽11之外側。
本發明，只要是能夠使在化學構造中含有鉛(Pb)和氧(O)的金屬化合物(以下，稱作放出源)附著於第1防附著板34之表面上，則係並不被限定於在真空槽11內使用假基板來進行濺鍍的方法，亦可將藉由其他的成膜裝置來預先使在PZT或PbO等之化學構造中含有鉛(Pb)和氧(O)的金屬化合物作了附著的第1防附著板34搬入至真空槽11內並作使用。
一面維持真空槽11內之真空氛圍，一面將應成膜之基板31搬入真空槽11內，並以使基板31表面的貴金屬之薄膜與靶材21之表面相對面的方向，來將基板31保持在基板保持台32之表面的中央部處。
在冷卻裝置38中，預先使被作了溫度管理的冷媒作循環。
圖2，係對於以下之種晶層形成工程和成膜工程處的發熱構件33之溫度變化作展示。
作為種晶層形成工程，將不會與PbO產生反應之惰性氣體從濺鍍氣體導入部14來導入至真空槽11內。於此，在惰性氣體中係使用身為濺鍍氣體之Ar氣體。之後，繼續惰性氣體之導入。
在真空槽11內，對於在化學構造中含有Pb和O之放出源進行加熱，而從放出源來放出PbO之氣體。
於此，係從加熱用電源17對於發熱構件33流動直流電流，並加熱發熱構件33，以將附著在第1防附著板34上之PZT的薄膜，設為較預先所求取出之成膜溫度而更高溫。從附著在第1防附著板34處的PZT之薄膜而放出PbO之蒸氣。
較理想，係將附著在第1防附著板34處的PZT之薄膜，設為較預先所求取出之成膜溫度而更高了50℃以上之溫度。此係因為，藉由此係能夠放出更多之PbO氣體之故。於此，係使發熱構件33升溫至785℃，並保持於該溫度。
PbO之蒸氣係附著在基板31表面之貴金屬的薄膜上，並在基板31表面之貴金屬的薄膜上形成PbO之種晶層。
將發熱構件33冷卻，並將基板31設為成膜溫度。於此，係使發熱構件33冷卻至640℃，並保持於該溫度。
接著，作為成膜工程，若是一面將基板31保持在成膜溫度，一面從濺鍍氣體導入部14而將身為濺鍍氣體之Ar氣體導入至真空槽11內，且從濺鍍電源13而對於陰
極電極22施加交流電壓，則被作了導入之濺鍍氣體係電離並電漿化。電漿中之離子，係被磁石裝置29所形成的磁力線捕捉，並射入靶材21之表面，而從靶材21將PZT之粒子彈飛。
從靶材21所放出之PZT之粒子的一部份，係射入基板31之表面。在基板31表面之貴金屬的薄膜上，由於係預先被形成有PbO之種晶層，因此，係從種晶層而被供給有Pb和O，在PZT薄膜處係並不會產生Pb之欠缺，而在種晶層上形成作了(001)/(100)配向之PZT膜。
圖3，係對於使用本發明之成膜方法而在Pt薄膜上所形成了的PZT薄膜之中央部(Center)和外緣部(Edge)以及中央部和外緣部之間之中間部(Middle)的3個場所之X光繞射形態作展示。
根據圖3之X光繞射形態，可以得知係形成了在(100)/(001)方向上作了優先配向之PZT薄膜。
從靶材21所放出的PZT粒子之一部份，係附著在第1防附著板34之表面上，並成為下一次之種晶層形成工程中的PbO氣體之放出源。
當在基板31上成膜了特定膜厚之PZT薄膜之後，停止從濺鍍電源13所對於陰極電極22之電壓施加，並停止從濺鍍氣體導入部14所對於真空槽11內之濺鍍氣體的導入。
停止從加熱用電源17所對於發熱構件33之電流的供給，並將發熱構件33冷卻，而將基板31設為較成膜溫度更低的溫度。此係為了要將基板31藉由搬送機器人而作搬送之故。於此，係使發熱構件33降溫至400℃，並保持於該溫度。
一面維持真空槽11內之真空氛圍，一面將完成成膜之基板31搬出至真空槽11之外側，接著，將其他之未成膜的基板31搬入真空槽11內，並反覆進行上述之種晶層形成工程和成膜工程。
在本發明之種晶層形成工程中，只要是在真空槽11內而將在化學構造中含有Pb和O之放出源加熱，並從放出源而放出PbO之氣體，則係並不被限定於對附著在第1防附著板34上之PZT薄膜進行加熱的方法，亦可設為在第2防附著板35之外周側面處配置發熱構件，並對於附著在第2防附著板35之內周側面處的PZT薄膜進行加熱，以使其放出PbO之氣體。於此情況，由於被放出了的PbO氣體，就算是不與惰性氣體相碰撞，亦會射入至基板31之表面，因此，係能夠將惰性氣體之導入作省略。
亦可在真空槽11內，與第1防附著板34相獨立地而另外配置坩堝(未圖示)，並在坩堝內裝入PZT或PbO等之放出源，再對於坩堝內之放出源進行加熱，而使其放出PbO之氣體。只要將坩堝之開口朝向會使被放出之PbO氣體射入至基板31之表面的方向，便能夠將惰性氣體之導入作省略。
在本發明之種晶層形成工程中，只要是能夠在基板31之表面而使PbO之氣體作附著，則係並不被限定於在真空槽11內而將在化學構造中含有Pb和O之放出源作加熱並從放出源來將PbO之氣體放出的方法，像是將被配置在真空槽11之外側處的放出PbO氣體之PbO氣體放出部(未圖示)，與真空槽11內作連接，並從PbO氣體放出部來將PbO氣體導入至真空槽11內，以使PbO氣體附著在基板31之表面上的方法，係亦被包含在本發明中。
如同使用第1、第2防附著板34、35的方法一般，當將被加熱之放出源配置在從靶材21所放出之PZT粒子會作附著之位置處的情況時，於成膜工程中，PZT粒子係附著在放出源處，亦即是，放出源係被作補充，因此，相較於使用PbO氣體放出部之方法，成膜材料之使用效率係為佳，故為理想。
11‧‧‧真空槽
21‧‧‧靶材
31‧‧‧基板
[圖1]在本發明之介電質薄膜之成膜方法中所使用的介電質成膜裝置之內部構成圖。
[圖2]對於本發明之介電質薄膜之成膜方法中的發熱構件之溫度變化作展示的圖。
[圖3]對於藉由本發明之介電質薄膜之成膜方法所形成的PZT薄膜之X光繞射形態作展示的圖。
[圖4]對於(100)/(001)配向之PZT薄膜和(111)配向之PZT薄膜的壓電特性作展示之圖表。
[圖5]對於先前技術之介電質薄膜之成膜方法中的發熱構件之溫度變化作展示的圖。
〔圖6〕對於藉由先前技術之介電質薄膜之成膜方法所形成的PZT薄膜之X光繞射形態作展示的圖。
Claims (5)
- 一種介電質薄膜之成膜方法，係具備有在被作了真空排氣之真空槽內，一面加熱基板，一面對於鈦鋯酸鉛(PZT)之靶材施加電壓而進行濺鍍，以在前述基板之表面上成膜PZT之薄膜之成膜工程，該介電質薄膜之成膜方法，其特徵為：在前述成膜工程之前，係具備有在前述基板之表面上使PbO氣體附著並形成PbO之種晶層之種晶層形成工程，在前述成膜工程中，係使被濺鍍之PZT的粒子射入前述種晶層處，並在前述種晶層上形成前述PZT之薄膜，在前述種晶層形成工程中，係在前述真空槽內，對於在化學構造中含有Pb和O之放出源進行加熱，而從前述放出源來放出PbO之氣體。
- 如申請專利範圍第1項所記載之介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係一面從前述放出源來放出PbO之氣體，一面將不會與PbO產生反應之惰性氣體導入至前述真空槽內。
- 如申請專利範圍第2項所記載之介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係將前述放出源加熱至較在前述成膜工程中之前述基板的溫度而更高之溫度。
- 如申請專利範圍第3項所記載之介電質薄膜之成膜方法，其中，在前述種晶層形成工程中，係將前述放出源 加熱至較在前述成膜工程中之前述基板的溫度而更高了50℃以上之溫度。
- 如申請專利範圍第1項~第4項中之任一項所記載之介電質薄膜之成膜方法，其中，前述基板，係於表面上具備有在(111)面上作了優先配向的Pt或Ir中之其中一者的貴金屬薄膜。
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