WO2006030884A1 - 薄膜製造方法 - Google Patents

薄膜製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2006030884A1
WO2006030884A1 PCT/JP2005/017111 JP2005017111W WO2006030884A1 WO 2006030884 A1 WO2006030884 A1 WO 2006030884A1 JP 2005017111 W JP2005017111 W JP 2005017111W WO 2006030884 A1 WO2006030884 A1 WO 2006030884A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thin film
substrate
raw material
axis
material flow
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/017111
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiaki Watanabe
Takahiko Yanagitani
Original Assignee
The Doshisha
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The Doshisha filed Critical The Doshisha
Priority to US11/662,805 priority Critical patent/US7951272B2/en
Publication of WO2006030884A1 publication Critical patent/WO2006030884A1/ja

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02172—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides
    • H01L21/02175—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides characterised by the metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/086—Oxides of zinc, germanium, cadmium, indium, tin, thallium or bismuth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/225—Oblique incidence of vaporised material on substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50—Substrate holders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/605—Products containing multiple oriented crystallites, e.g. columnar crystallites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02263—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase
    • H01L21/02271—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase deposition by decomposition or reaction of gaseous or vapour phase compounds, i.e. chemical vapour deposition
    • H01L21/02274—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase deposition by decomposition or reaction of gaseous or vapour phase compounds, i.e. chemical vapour deposition in the presence of a plasma [PECVD]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/314—Inorganic layers
    • H01L21/316—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass
    • H01L21/31604—Deposition from a gas or vapour
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02551—Group 12/16 materials
    • H01L21/02554—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02609—Crystal orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a single crystal or polycrystalline thin film oriented in a predetermined direction.
  • the present invention is particularly suitable for the production of zinc oxide (ZnO) thin films.
  • Transducers are elements that excite or detect acoustic surface waves and Balta waves. Measuring transducers are mainly used for measuring material constants, exploring defects and scratches in media, and measuring stress. .
  • a piezoelectric material having a piezoelectric effect which is a phenomenon in which polarization changes as sound is distorted by a sound wave, is used as a transducer.
  • the spatial resolution of the measurement system is inversely proportional to the sound speed and proportional to the operating frequency, the above measurement can be performed with a high resolution (by using a transverse wave whose sound speed is slower than the 0 longitudinal wave, excitation and detection in the GO high frequency range) Therefore, there is a need for high-frequency shear wave transducers in the measurement field.
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • SAW devices Conventionally, SAW devices have used Rayleigh waves, which are a combination of longitudinal and transverse waves, propagating on a piezoelectric film. Since Rayleigh waves are attenuated when they are reflected by the end face of the piezoelectric film, it has been necessary to provide a reflector in the past to prevent this attenuation.
  • SAW devices surface SH wave devices
  • surface SH wave devices that use surface SH waves that have only a transverse wave component that vibrates parallel to the piezoelectric film have come to be used. Since the surface SH wave is totally reflected at the end face of the piezoelectric film, the surface SH wave device can be made smaller than before without the need for a reflector as in the prior art.
  • the above-described transducer surface SH wave device operates in a high frequency region of several hundred MHz to several GHz.
  • V v / (2d) between the frequency V (sec—, the speed of sound v (m / s), and the thickness d (m) of the piezoelectric body.
  • Velocity of shear wave propagating through If the device is 3000 m / s to 8000 m / s, the thickness d needs to be several / zm to several tens / zm in order for these devices to operate in such a high frequency region.
  • Piezoelectric materials that can be thinned to such a thickness include ZnO, Pb (Zr, Ti) 0 (abbreviation: PZT), polyvinylidene fluoride trifluoride.
  • polyethylene p (VDF-TrFE)
  • VDF-TrFE polyethylene
  • the piezoelectric body In order to excite a transverse wave, the piezoelectric body must vibrate in a sliding mode. For this purpose, the polarization axis must be aligned perpendicular to the electric field direction. For this reason, PZT and P (VDF-TrFE) thin films must be polarized by applying a strong electric field (50 MV / m or more) in the in-plane direction. It is difficult to do across areas. On the other hand, the Z ⁇ thin film can excite a transverse wave by aligning its crystal orientation without performing polarization treatment.
  • the transverse wave is excited by sandwiching the thin film between the electrodes and making the c-axis and the electric field direction perpendicular. Therefore, it is desirable to use a ZnO thin film in which the c-axis is oriented in one direction in the plane (hereinafter referred to as “c-axis in-plane oriented ZnO thin film”) as the piezoelectric film used in the above-described transducer surface SH wave device. ,.
  • the c-axis can be oriented in one direction in the plane.
  • the ZnO thin film must be bonded to the electrode formed on the surface of the medium through which the transverse wave propagates through an adhesive layer. Due to the presence of this adhesive layer, the efficiency of converting the vibration of the ZnO thin film into a transverse wave propagating through the medium was reduced.
  • the sapphire single crystal substrate is expensive and disadvantageous in terms of cost.
  • the type of the substrate is restricted, its characteristics are restricted when applied to a device.
  • Patent Document 1 describes that by forming a ZnO thin film doped with aluminum or aluminum oxide on an aluminum electrode layer, the c-axis is oriented in the plane.
  • the ZnO thin film contains aluminum or aluminum oxide as an impurity.
  • Patent Document 2 a low-resistance ZnO thin film that serves as an electrode is first epitaxially grown on a sapphire (01-12) single crystal substrate, and then a high-resistance ZnO thin film that serves as a piezoelectric material is grown thereon. Is described.
  • a c-axis in-plane oriented ZnO thin film can be obtained by depositing a thin film material on a substrate having a temperature gradient (Patent Document 3). According to this method, a c-axis-oriented ZnO thin film can be formed directly on a metal substrate (electrode) without doping impurities. Therefore, the c-axis in-plane oriented ZnO thin film obtained by this method can be suitably used for devices such as transducer surface SH wave devices.
  • a c-axis in-plane oriented ZnO thin film can be produced on various substrates such as a glass substrate and a ceramic substrate as well as a metal substrate. Furthermore, this method is not limited to the c-axis in-plane oriented ZnO thin film, but can be applied to the production of a thin film in which a predetermined crystal axis is aligned in a predetermined direction.
  • a magnetron sputtering apparatus is used to deposit a thin film material (ZnO) on a substrate.
  • Fig. 1 shows an example of a thin film production system using a magnetron sputtering system.
  • a magnetron circuit 12 and a cathode 13 are provided in the lower part of the film forming chamber 11, and an anode 14 is provided in the upper part.
  • the substrate 10 is disposed on a substrate table 15 immediately below the anode 14 so as to be substantially parallel to the cathode 13 and the anode 14.
  • a temperature gradient is formed on the substrate 10 in a direction parallel to the heater 16 and the water cooling device 17 provided on the substrate table 15.
  • a temperature gradient naturally formed in the film forming chamber 11 is applied to the substrate 10. Furthermore, a temperature gradient is given.
  • a target 18, which is a thin film material, is placed on the upper surface of the cathode 13.
  • the magnetron circuit 12 is installed below the cathode 13. Further, a gas source 19 of argon (Ar) gas and oxygen (0) gas is connected to the film forming chamber 11.
  • the sputtered raw material forms a uniaxial flow (raw material flow) directed toward the anode 14 in the plasma.
  • This raw material flow Reaches the surface of the substrate 10 and the sputtered raw material is deposited on the surface.
  • the c-axis of ZnO is oriented in a direction parallel to the substrate due to the temperature gradient.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 50-23918 (first page, left column, line 36 to second page, left column, second line)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-228398 ([0017] to [0025])
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 3561745 ([0020] to [0031], FIG. 3)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a method capable of producing a ZnO thin film having a larger area than that of the prior art, a c-axis in-plane oriented ZnO thin film, and other thin films in which predetermined crystal axes are oriented in a predetermined direction. That is.
  • a thin film manufacturing method according to the present invention made to solve the above-mentioned problems is a uniaxial flow of a thin film material formed in plasma, and has a density gradient in a direction perpendicular to the axis.
  • a raw material flow is formed, and the substrate is disposed in an inclined manner in the raw material flow so that the substrate is on the upstream side of the raw material flow on the high density side and on the downstream side on the low density side.
  • the method for producing a thin film according to the present invention can be suitably used for the production of a zinc oxide thin film.
  • the zinc oxide thin film manufacturing method according to the present invention is a uniaxial flow of a thin film material made of zinc oxide and formed in plasma, and has a density gradient in a direction perpendicular to the axis.
  • a raw material flow is formed, and the substrate is disposed in an inclined manner in the raw material flow so that the substrate is on the upstream side of the raw material flow on the high density side and on the downstream side on the low density side.
  • the “raw material flow” refers to a uniaxial flow of a thin film raw material formed in plasma.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional thin film manufacturing apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a thin film manufacturing apparatus for carrying out the thin film manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 3 (a) A diagram showing the arrangement of the substrates and the angle of incidence of the raw material flow on the substrates in this example and (b) comparative example.
  • FIG. 4 is a chart of 20 / ⁇ scanning X-ray diffraction measurement of this example.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining (a) 2 ⁇ I ⁇ -scanning X-ray diffraction measurement and (b) ⁇ -scanning X-ray diffraction measurement.
  • FIG. 6 is a graph showing the full width at half maximum of the peak obtained by ⁇ -scanning X-ray diffraction in this example and the comparative example.
  • FIG. 7 Cross-sectional view showing another example of a thin film manufacturing apparatus for carrying out the method for manufacturing a thin film of the present invention.
  • a uniaxial flow (raw material flow) of a thin film raw material that remains in a plasma state or an electrically neutral state is formed in plasma, and the plasma is formed in the plasma.
  • the raw material has a density gradient in a direction perpendicular to the axis of the lever.
  • Such a raw material stream can be formed by a sputtering apparatus, for example, the magnetron sputtering apparatus. That is, when a raw material stream is formed by these apparatuses, in many cases, a density distribution exists in the raw material stream. By using the temperature gradient generated by this density distribution, the method according to the present invention can be carried out.
  • the substrate is disposed in the plasma so as to be inclined with respect to the raw material flow. At that time, the substrate is arranged so that the direction of inclination of the substrate is upstream of the raw material flow on the high density side and downstream of the raw material flow on the low density side.
  • the substrate By arranging the substrate in this manner, the substrate naturally forms a temperature gradient such that the temperature is low on the low density side (downstream side) where the temperature is high on the high density side (upstream side). It is done. Thereby, as described above, a thin film having a predetermined crystal axis oriented in the direction of the temperature gradient is formed (deposited) on the substrate.
  • the present invention by arranging the substrate in such an inclined manner, the crystal axes are more easily oriented than in the case where the substrate is arranged perpendicular to the raw material flow. As a result, in the thin film formed on the substrate, the area where the predetermined crystal axes are aligned in a predetermined direction is increased. In addition, the production efficiency of the thin film is improved by obtaining a thin film having a large area that is aligned and aligned in this way.
  • homogeneous orientation refers to the fact that the variation in the orientation direction of crystal axes is below a predetermined standard.
  • One of the criteria is the profile obtained when the angle ⁇ between the incident light and the thin film is changed while the angle ⁇ between the incident light and the reflected light is fixed in the X-ray diffraction measurement of the obtained thin film.
  • the crystal axis is assumed to be in a homogeneous orientation.
  • the raw material flow When the raw material flow is formed using a normal magnetron sputtering apparatus or the like, as described above, in many cases, the raw material flow has a high density at the center and a low density toward the periphery. Become.
  • the direction of the raw material flow is such that the component incident in the direction perpendicular to the anode is large at the center of the anode, and the component in the direction parallel to the anode increases toward the peripheral part away from the center of the anode. It is considered that this component contributes to the homogeneous alignment.
  • the incident angle of the raw material flow is smaller when the substrate is placed at the peripheral portion than at the central portion. That is, the component in the direction parallel to the substrate of the raw material flow can be increased over the entire substrate surface.
  • a temperature gradient is naturally formed on the substrate as described above.
  • a separate heating means and Z or cooling means are provided (for example, a part of the substrate is heated with a heater or the like).
  • a larger temperature gradient may be applied by cooling with cooling water or the like.
  • the method for producing a thin film of the present invention can be suitably used for producing a c-axis in-plane oriented ZnO thin film.
  • the manufacturing method is only to use ZnO as a thin film raw material, and the other processes can be as described above.
  • a ZnO thin film with the c-axis oriented in the plane can be obtained.
  • the c-axis in-plane oriented ZnO thin film thus obtained can be suitably used for transducer-type surface acoustic wave devices and the like. Since a large-area homogeneously aligned thin film is obtained as described above, the production efficiency of the c-axis in-plane oriented ZnO thin film and devices using the same is improved.
  • various substrates such as a ceramic substrate, a glass substrate, other amorphous substrates, and a metal substrate such as a copper substrate and an aluminum substrate can be used.
  • a composite substrate such as a metal film deposition substrate in which a metal film is deposited on the surface of a ceramic substrate or a glass plate can also be used.
  • the c-axis in-plane oriented ZnO thin film formed on a metal substrate or a metal film deposition substrate can be suitably used for a transducer or a surface acoustic wave device using these substrates as electrodes.
  • a c-axis in-plane oriented Z ⁇ thin film on a single crystal substrate such as sapphire, a high-quality single crystal thin film with high crystallinity can be obtained.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a thin film manufacturing apparatus for carrying out the ZnO thin film manufacturing method of the present invention.
  • This equipment is magnetron sputtering, similar to the conventional thin film production equipment (Fig. 1).
  • the plasma is generated by this, and the target which is the raw material of the thin film is sputtered and deposited on the substrate.
  • the film formation chamber 21, the magnetron circuit 22, the cathode 23, the anode 24, the target 28, and the gas source 29 are the same as those in FIG.
  • a ZnO sintered body is used for the target 28.
  • the surface of the substrate base 25 is positioned away from the line connecting the centers of the magnetron circuit 22, the cathode 23, and the anode 24 (dashed line in the figure). Tilted and fixed. Since the substrate 20 is installed on the surface of the substrate table 25, the substrate 20 is also inclined with respect to the center line. This inclination is such that the distance from the cathode 23 is closer at the end 20a closer to the center line of the substrate 20 than at the end 20b farther from the center line force.
  • the thin film manufacturing apparatus of the present embodiment is not provided with a heater or a water cooling apparatus for applying a temperature gradient to the substrate.
  • the point that plasma is generated in the vicinity of 8 and the target 28 is sputtered is the same as the conventional thin film manufacturing apparatus (FIG. 1).
  • the sputtered ZnO forms a uniaxial flow (raw material flow) in the uniaxial direction toward the anode 24 together with the oxygen plasma by the voltage between the cathode 23 and the anode 24.
  • the density of the raw material flow decreases with increasing distance from the center of the anode 24 and does not exist beyond a certain distance from the center. That is, the raw material flow exists only in the columnar region 30 having the center line as the central axis. At a position sufficiently away from the target 28 toward the anode 24, the density of the raw material flow becomes lower as the center line force that is the highest in the central axis is separated.
  • the raw material stream reaches the surface of the substrate 20, and ZnO is deposited on the surface.
  • the substrate 20 is fixed at a position where the center line force is also deviated, a temperature gradient is formed on the substrate 20 such that the temperature of the end 20b is lower than that of the end 20a.
  • the c-axis of ZnO is oriented in the direction parallel to the substrate.
  • ⁇ a is smaller than the incident angle 0 b of the raw material flow 32 to the substrate 31b in the apparatus of FIG. 1 (FIG. 3 (b)).
  • this example is formed on the substrate rather than using the apparatus of FIG. In the ZnO thin film, the area where the c-axes are aligned and aligned increases.
  • the substrate 31a and the center line 34 do not intersect, but even when the substrate 3 lc is disposed at a position including the center line 34 as shown in FIG.
  • the region 35 in the substrate 31c that is distant from the upstream side of the raw material stream 32 as it deviates from the line 34 satisfies the conditions for the substrate placement of the present invention.
  • the mean free path becomes short, and highly reactive particles cannot reach the substrate sufficiently. Therefore, for example, when the distance between the substrate and the target is 60 mm, it is desirable that the pressure of the gas introduced into the film formation chamber 21 is 6 ⁇ 10 ⁇ 3 Torr or less.
  • the sample was prepared and evaluated.
  • the apparatus shown in FIG. 2 was used for sample preparation.
  • the radius of the magnetron circuit 22 of the apparatus is 35 mm
  • the radius of the cathode 23 and the anode 24 is 51 mm
  • the distance between the target 28 and the anode 24 is 60 mm.
  • the substrate used was a metal film deposition substrate obtained by depositing aluminum on a Pyrex (registered trademark) glass substrate.
  • the substrate has a length of 50 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 1 mm, and one end 20a in the length direction is located on the center line at a position on the cathode 23 side by 25 mm from the anode 24.
  • a temperature gradient was formed in the length direction of the substrate.
  • the power supplied to the cathode 23 was 60 W, and sputtering was performed for 20 hours.
  • both the thin film of this example and the comparative example show that the (11-20) plane of ZnO is formed in the direction parallel to the substrate, that is, the c-axis is In-plane orientation indicates that
  • the incident light 42 of the X-ray to the surface of the thin film 41 is connected to the incident point X-ray detector 43 of the incident light.
  • Angle formed by line 44 The angle 2 ⁇ and the angle ⁇ formed by the incident light 42 and the surface of the thin film 41 are scanned together.
  • ⁇ -scanning X-ray diffraction measurement was performed on the thin films of this example and the comparative example.
  • ⁇ -running X-ray diffraction measurement scans only ⁇ with 2 ⁇ fixed. The larger the variation of the crystal axes in the oriented sample, the wider the width of the peak appearing on the chart.
  • 2 ⁇ was fixed to the 2 ⁇ value of the (11-20) peak obtained by the above 20 / ⁇ -scanning X-ray diffraction measurement, and the ⁇ -scanning X-ray diffraction measurement was performed. The full width at half maximum was calculated for.
  • Figure 6 shows the values. The horizontal axis represents the distance from the upstream end of the substrate. From FIG.
  • the full width at half maximum is suppressed to 5.5 ° or less over a range of 5 to 35 mm from the upstream end. If the full width at half maximum is 5.5 ° or less, it can be said that the c- axis is sufficiently oriented for use in a device such as a transducer. This range is larger than the range where the full width at half maximum is 5.5 ° or less (distance force S15 of upstream end force 5 to 30 mm) in the comparative example. Therefore, according to the method of this example, it is possible to obtain a c-axis in-plane oriented ZnO thin film having a larger area than that of the comparative example and usable for a device such as a transducer.
  • FIG. 7 shows another example of a thin film manufacturing apparatus for carrying out the method for manufacturing a ZnO thin film of the present invention.
  • the substrate 20 is fixed at an angle with respect to this line at a position off the line connecting the centers of the magnetron circuit 22, the cathode 23, and the anode 24 (dashed line in the figure).
  • the configuration of the film forming chamber 21, the magnetron circuit 22, the cathode 23, the anode 24, the target 28 and the gas source 29 is the same as that of the apparatus of FIG.
  • a heater 26 is provided on the substrate end 20a side of the substrate stand 25, and a water cooling device 27 is provided on the substrate end 20b side.
  • this thin film manufacturing apparatus is the same as that of the apparatus of FIG. 2 except that a temperature gradient is applied to the substrate 20 by the heater 26 and the cooling device 27.
  • the heater 26 and the water cooling device 27 further increase the temperature gradient.
  • This configuration is particularly effective when the c-axis of the ZnO thin film is not sufficiently in-plane oriented by the naturally formed temperature gradient alone.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

　本発明は、広い面積に亘ってc軸が面内に配向したZnO薄膜を製造する方法を提供することを目的として成された。マグネトロンスパッタリング装置を用いて、薄膜の原料であるZnOターゲット２８をスパッタし、プラズマ中に陰極２３から陽極２４に向かう原料の流れ（原料流）を形成する。この原料流は中心部において密度が高く、中心部から外れるに従って密度が低いものとなる。基板２０は、原料流の形成される領域３０の中心軸から外れた位置に、該中心軸に対して傾斜して固定される。これにより、基板２０に自然に温度勾配が形成され、基板２０上に堆積するZnO薄膜のc軸は面内で温度勾配の方向に配向する。また、基板２０が原料流に対して傾斜して固定されることにより、従来よりもc軸が面内に斉合配向する面積が大きくなる。

Description

明 細 書
薄膜製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、所定の方向に配向した単結晶又は多結晶薄膜の製造方法に関する。
本発明は特に、酸ィ匕亜鉛 (ZnO)薄膜の製造に適したものである。
背景技術
[0002] 超音波計測において計測器の性能を向上させるために、分解能の高いトランスデ ユーサが求められている。トランスデューサとは、音響的な表面波やバルタ波を励振 又は検出する素子であり、計測用トランスデューサは主に材料定数の測定や、媒質 中の欠陥 ·傷等の探査及び応力の測定等に用いられる。一般にトランスデューサに は、音波により歪みが与えられることに伴い分極が変化する現象である圧電効果を 有する圧電体が用いられる。測定系の空間分解能は音速に反比例し、動作周波数 に比例するため、上記の計測を高い分解能で行うには、（0縦波に比べて音速が遅い 横波を用い、 GO高周波領域で励振及び検出を行う必要がある。従って、計測分野に お!、ては高周波横波用トランスデューサが求められて 、る。
[0003] また、携帯電話等の移動体通信機器の小型化に伴い、それらに用いられる信号処 理デバイスの小型化が求められている。そのデバイスのひとつに、 SAW(Surface Aco ustic Wave:弾性表面波)デバイスがある。 SAWデバイスにおいては従来、圧電体膜 上を伝播する、縦波と横波の合成波であるレイリー波を利用していた。レイリー波は 圧電体膜の端面で反射する場合に減衰するため、従来は反射器を設けてこの減衰 を防ぐ必要があった。それに対して近年、圧電体膜に平行に振動する横波成分のみ 力も成る表面 SH波を利用した SAWデバイス (表面 SH波デバイス)が用いられるように なった。表面 SH波は圧電体膜端面で全反射するため、この表面 SH波デバイスは従 来のように反射器を設ける必要はなぐ従来よりも小型化することができる。
[0004] 上記のトランスデューサゃ表面 SH波デバイスは、数百 MHz〜数 GHzの高周波領域 で動作する。これらのデバイス中の圧電体において、周波数 V (sec— 、音速 v(m/s)、 圧電体の厚さ d(m)の間には V =v/(2d)の関係がある。圧電体を伝播する横波の音速 を 3000m/s〜8000m/sとすると、このような高周波領域でこれらのデバイスが動作する ためには、厚さ dを数/ z m〜数十/ z mにする必要がある。このような厚さまで薄膜化が 可能な圧電材料には、 ZnO、 Pb(Zr,Ti)0 (略称: PZT)、ポリフッ化ビ-リデン—トリフル
3
ォロエチレン (p(VDF- TrFE))等がある。
[0005] 横波を励振するには、圧電体がすべりモードで振動しなければならず、そのために は分極軸を電界方向に垂直に揃える必要がある。そのため、 PZTや P(VDF-TrFE)の 薄膜では、面内方向に強電界 (50MV/m以上)を印加して分極処理を行わなければな らないが、そのような処理を数 mm以上の領域に亘つて行うことは困難である。一方、 Z ηθ薄膜では分極処理を行わなくとも、その結晶配向を揃えることにより横波を励振す ることができる。例えば、 c軸が薄膜の面内の一方向に配向すれば、その薄膜を電極 で挟んで c軸と電界方向を垂直にすることにより、横波が励振される。従って、上記の トランスデューサゃ表面 SH波デバイスに用いる圧電膜には、 c軸が面内の一方向に 配向した ZnO薄膜 (以下、「c軸面内配向 ZnO薄膜」と呼ぶ）を用いることが望ま 、。
[0006] 表面を (01-12)面としたサファイア単結晶基板上に ZnO薄膜をェピタキシャル成長さ せれば、 c軸を面内の一方向に配向させることができる。し力し、この ZnO薄膜を用い て横波用トランスデューサを作製する際には、横波を伝播させる媒質の表面に形成 された電極に、接着剤層を介して ZnO薄膜を接着しなければならない。この接着剤層 の存在により、 ZnO薄膜の振動を、媒質を伝播する横波に変換する効率が低下して いた。また、サファイア単結晶基板は高価でありコスト面で不利である。更に、基板の 種類が制約されるため、デバイスへの応用のうえでその特性が制約されてしまう。
[0007] そこで、電極上に直接、 c軸面内配向 ZnO薄膜を形成することが検討されている。特 許文献 1には、アルミニウム電極層上に、アルミニウム又はアルミニウム酸ィ匕物をドー プした ZnO薄膜を形成することにより、その c軸が面内に配向することが記載されてい る。しかし、この方法では ZnO薄膜にアルミニウム又はアルミニウム酸ィ匕物が不純物と して含まれてしまう。また、特許文献 2には、サファイア (01-12)単結晶基板上に、まず 電極となる低抵抗の ZnO薄膜をェピタキシャル成長させ、その上に圧電体となる高抵 抗の ZnO薄膜を成長させることが記載されている。しかし、この方法では、電極 (低抵 抗 ZnO薄膜)の電気抵抗率が金属のそれよりも高いため、デバイスへの応用が難しい [0008] それに対して、本願発明者は、温度勾配を形成した基板上に薄膜の原料を堆積さ せることにより、 c軸面内配向 ZnO薄膜が得られることを見いだした (特許文献 3)。この 方法によれば、不純物をドープすることなぐ金属基板 (電極)上に直接、 c軸面内配 向 ZnO薄膜を形成することができる。そのため、この方法により得られる c軸面内配向 ZnO薄膜は、トランスデューサゃ表面 SH波デバイス等のデバイスに好適に用いること ができる。
[0009] また、この方法によれば、金属基板に限らず、ガラス基板、セラミック基板等の様々 な基板上に c軸面内配向 ZnO薄膜を作製することができる。更に、この方法は c軸面 内配向 ZnO薄膜に限らず、所定の結晶軸が所定の方向に配向した薄膜を製造する 際に適用することができる。
[0010] この特許文献 3では、基板上に薄膜の原料 (ZnO)を堆積させるために、マグネトロン スパッタリング装置を用いて 、る。マグネトロンスパッタリング装置を用いた薄膜製造 装置の一例を図 1に示す。成膜室 11の下部にマグネトロン回路 12及び陰極 13を、 上部に陽極 14を設ける。基板 10は陽極 14の直下にある基板台 15に、陰極 13及び 陽極 14に対して略平行に配置される。基板台 15に設けたヒータ 16及び水冷装置 17 により、基板 10にはそれに平行な方向に温度勾配が形成される。また、マグネトロン 回路 12、陰極 13及び陽極 14の中心（図中の一点鎖線)からずれた位置に基板 10を 設置することにより、成膜室 11内に自然に形成される温度勾配が基板 10に更に温 度勾配を与える。薄膜の原料であるターゲット 18は陰極 13の上面に載置する。マグ ネトロン回路 12は陰極 13の下部に設置する。また、成膜室 11にアルゴン (Ar)ガス及 び酸素 (0 )ガスのガス源 19を接続する。
2
[0011] この装置の動作を説明する。成膜室 11内に Arガス及び 0ガスを導入し、陰極 13に
2
高周波電力を供給する。これにより成膜室 11内に磁界及び電界が形成され、 ガス 及び 0ガスがその電界により電離して電子を放出する。この電子はターゲット 18近傍
2
の電界及び磁界によりトロイダル曲線を描きながら運動し、これによりターゲット 18の 近傍にプラズマが発生してターゲット 18がスパッタされる。スパッタされた原料はブラ ズマ中において陽極 14に向力う一軸方向の流れ (原料流）を形成する。この原料流 が基板 10の表面に達してスパッタされた原料が該表面に堆積する。この時、前記温 度勾配により、 ZnOの c軸が基板に平行な方向に配向する。
[0012] 特許文献 1：特公昭 50-23918号公報 (第 1ページ左欄 36行目〜第 2ページ左欄 2行目 )
特許文献 2：特開平 8-228398号公報（[0017]〜[0025])
特許文献 3：特許第 3561745号公報（[0020]〜[0031],図 3)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] 上記デバイスを大量生産するためには、製造される c軸面内配向 ZnO薄膜の面積 は大きい方が望ましい。もちろん、他の薄膜についても同様である。この点で、上記 従来の製造方法に改良の余地が残されている。本発明が解決しょうとする課題は、 従来よりも面積の大き 、c軸面内配向 ZnO薄膜、及びその他の所定の結晶軸が所定 の方向に配向した薄膜を製造することができる方法を提供することである。
課題を解決するための手段
[0014] 上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜製造方法は、プラズマ中に 形成された薄膜原料の一軸方向の流れであって、該軸に直交する方向に密度勾配 を有する原料流を形成し、基板を、高密度側において原料流の上流側、低密度側に ぉ ヽて下流側となるように、該原料流中に傾斜して配置することを特徴とする。
[0015] 本発明に係る薄膜製造方法は酸ィ匕亜鉛薄膜の製造に好適に用いることができる。
即ち、本発明に係る酸化亜鉛の薄膜製造方法は、プラズマ中に形成された、酸ィ匕亜 鉛から成る薄膜原料の一軸方向の流れであって、該軸に直交する方向に密度勾配 を有する原料流を形成し、基板を、高密度側において原料流の上流側、低密度側に ぉ ヽて下流側となるように、該原料流中に傾斜して配置することを特徴とする。
[0016] 本願において「原料流」とは、プラズマ中に形成された薄膜原料の一軸方向の流れ を指す。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]従来の薄膜製造装置の断面図。 [図 2]本発明に係る薄膜製造方法を実施するための薄膜製造装置の断面図。
1—
[図 〇 3](a)本実施例及び (b)比較例における基板の配置及び基板への原料流の入射角 を示す図。
[図 4]本実施例の 2 0 / ω走査 X線回折測定のチャート。
[図 5](a)2 θ I ω走査 X線回折測定と (b) ω走査 X線回折測定を説明するための図。
[図 6]本実施例及び比較例の ω走査 X線回折により得られるピークの半値全幅を示 すグラフ。
圆 7]本発明の ΖηΟ薄膜の製造方法を実施するための薄膜製造装置の他の例を示 す断面図。
符号の説明
20、 31a、 31b、 31c…基板
11、 21 · 成膜室
12、 22· ··マグネトロン回路
13、 23· ··陰極
14、 24· "陽極
15、 25· '·基板台
16、 26· '七ータ
17、 27· ··水冷装置
18、 28· '·ターゲット
19、 29· ' ·ガス源
32· ··原料流
41 · ··薄膜
42· '·入射光
43· ••X線検出器
発明の実施の形態及び効果
本発明の薄膜製造方法にぉ ヽては、プラズマ中にぉ ヽてプラズマ状態又は電気的 に中性のままの薄膜原料の一軸方向の流れ (原料流)を形成するとともに、そのブラ ズマ中にお 、てその軸に垂直な方向に原料が密度勾配を有するようにする。このよう な原料流はスパッタリング装置、例えば上記マグネトロンスパッタリング装置により形 成することができる。すなわち、これらの装置で原料流を形成すると、多くの場合、そ の原料流に密度分布が存在する。この密度分布によって生じる温度勾配を利用する ことにより、本発明に係る方法を実施することができる。
[0020] 基板は、この原料流に対して傾斜するようにプラズマ中に配置する。その際、基板 の傾斜方向は、高密度側において原料流の上流側となり、低密度側において原料 流の下流側となるように配置する。
[0021] 基板をこのように配置することにより、基板には自然に、高密度側（上流側）におい て温度が高ぐ低密度側（下流側）において温度が低くなるような温度勾配が形成さ れる。これにより、前記の通り、所定の結晶軸がこの温度勾配の方向に配向した薄膜 が基板上に形成 (堆積)される
[0022] 本発明においては、基板をこのように傾斜して配置することにより、原料流に対して 垂直に配置する場合よりも結晶軸がより配向しやすくなる。それにより、基板上に形 成される薄膜中にお 、て、所定の結晶軸が所定の方向に斉合配向する面積が大き くなる。そして、このように斉合配向する面積の大きい薄膜が得られることにより、薄膜 の生産効率が向上する。
[0023] ここで、「斉合配向」とは、結晶軸の配向方向のばらつきが所定の基準以下であるこ とを指す。この基準の一つに、得られた薄膜の X線回折測定において、入射光と反射 光の成す角度 2 Θを固定して入射光と薄膜の成す角度 ωを変化させたときに得られ るプロファイルの幅がある。この幅が小さい方が結晶軸の配向方向のばらつきが小さ ぐその値が基準値以下である場合に、結晶軸は斉合配向しているとする。
[0024] 本発明の方法により所定の結晶軸が所定の方向に斉合配向する面積が大きくなる 理由は現在のところ特定されていないが、以下の可能性が考えられる。それは、基板 を原料流に対して傾斜して配置することにより、基板の表面への原料流の入射角度 力 、さくなり、それにより結晶軸の配向方向が基板表面における原料流の方向に沿う ようになることである。
[0025] 通常のマグネトロンスパッタリング装置等を用いて原料流を形成すると、前記の通り 、多くの場合、原料流は中心部において高密度となり、周辺に行くにつれて低密度と なる。一方、原料流の流れの方向は、陽極中心では陽極に垂直な方向に入射する 成分が大きぐ陽極中心から離れた周辺部に行くに従い陽極に平行な方向の成分が 大きくなる。この成分が斉合配向に寄与していると考えられる。本発明に係る方法に よって基板を原料流の中に傾斜して配置する場合、中心部に置くより周辺部に置 、 た方が原料流の入射角度が小さくなる。すなわち、基板表面全体に亘つて原料流の 基板に対して平行な方向の成分を大きくすることができる。
[0026] 本発明の方法においては上記のように基板に自然に温度勾配が形成されるが、別 途加熱手段及び Z又は冷却手段を設ける（例えば、基板の一部をヒータ等で加熱し たり冷却水等により冷却したりする)ことにより、更に大きな温度勾配を付与するように してちよい。
[0027] 本発明の薄膜製造方法は、 c軸面内配向 ZnO薄膜の製造に好適に用いることがで きる。この場合、製造方法としては薄膜原料に ZnOを用いるだけであり、その他のェ 程は上記の通りとすることができる。これにより、 c軸が面内に配向した ZnO薄膜を得る ことができる。こうして得られる c軸面内配向 ZnO薄膜は、トランスデューサゃ弹性表面 波デバイス等に好適に用いることができる。そして、上記のように大面積の斉合配向 薄膜が得られるため、 c軸面内配向 ZnO薄膜及びそれを用いたデバイスの生産効率 が向上する。
[0028] 本発明では、セラミックス基板、ガラス基板やその他の非晶質基板、銅基板'アルミ -ゥム基板等の金属基板等、様々な基板を用いることができる。更に、セラミックス基 板やガラス板等の表面に金属膜を蒸着した金属膜蒸着基板等の複合基板も用いる ことができる。その中でも特に、金属基板又は金属膜蒸着基板上に形成した c軸面内 配向 ZnO薄膜は、これらの基板を電極とするトランスデューサゃ弾性表面波デバイス 等に好適に用いることができる。また、サファイア等の単結晶基板上に c軸面内配向 Z ηθ薄膜を形成することにより、結晶性が高い良質の単結晶薄膜を得ることができる。 実施例
[0029] 本発明の一実施例である ZnO薄膜の製造方法について図 2を用いて説明する。図 2は本発明の ZnO薄膜の製造方法を実施するための薄膜製造装置の断面図である 。この装置は、上記従来の薄膜製造装置（図 1)と同様に、マグネトロンスパッタリング によりプラズマを生成し、薄膜の原料であるターゲットをスパッタして基板上に堆積さ せるものである。成膜室 21、マグネトロン回路 22、陰極 23、陽極 24、ターゲット 28及 びガス源 29は図 1のものと同様である。 ZnO薄膜の製造においては、ターゲット 28に ZnOの焼結体を用いる。
[0030] 本実施例の薄膜製造装置においては、基板台 25の表面はマグネトロン回路 22、 陰極 23及び陽極 24の中心を結ぶ線（図中の一点鎖線)から外れた位置に、この線 に対して傾斜して固定される。基板 20はこの基板台 25の表面に設置されるため、基 板 20もこの中心線に対して傾斜して配置される。この傾斜は、基板 20の中心線に近 い側の端部 20aにおいて、中心線力も遠い側の端部 20bよりも、陰極 23との距離が 近くなるようにされる。
[0031] 本実施例の薄膜製造装置では、基板に温度勾配を与えるためのヒータや水冷装置 等は設けていない。
[0032] この薄膜製造装置を用いて ZnO薄膜を製造する方法を説明する。成膜室 21内に A rガス及び 0ガスを導入し、陰極 23に高周波電力を供給する。これによりターゲット 2
2
8の近傍にプラズマが発生してターゲット 28がスパッタされる点は上記従来の薄膜製 造装置（図 1)と同様である。スパッタされた ZnOは、陰極 23—陽極 24間の電圧により 、酸素プラズマと共に陽極 24側に向力 一軸方向の流れ (原料流）を形成する。この 原料流は、陽極 24の中心から離れるほど密度が小さくなり、該中心からある距離以 上離れると存在しない。即ち、原料流は上記中心線を中心軸とする柱状の領域 30に のみ存在する。ターゲット 28から陽極 24側に十分に離れた位置において、原料流の 密度は中心軸において最も高ぐ中心線力 離れるに従って低くなる。
[0033] 原料流は基板 20の表面に達し、 ZnOが該表面に堆積する。この時、基板 20が上記 中心線力も外れた位置に固定されていることにより、基板 20には端部 20aよりも端部 20bの方が温度が低くなる温度勾配が形成される。これにより、 ZnOの c軸が基板に 平行となる方向に配向する。
[0034] また、図 3(a)に示すように、本実施例における基板 3 laへの原料流 32の入射角度
Θ aは、図 1の装置における基板 31bへの原料流 32の入射角度 0 b (図 3(b))よりも小 さくなる。これにより、図 1の装置を用いた場合よりも本実施例の方が、基板上に形成 される ZnO薄膜のうち c軸が斉合して配向する面積が大きくなる。
[0035] なお、図 3(a)では基板 31aと中心線 34は交差しないが、図 3(c)に示すように基板 3 lcが中心線 34を含む位置に配置される場合においても、中心線 34から外れるにつ れて原料流 32の上流側から離れている基板 31c中の領域 35は、本発明の基板配 置の条件を満たす。
[0036] 放電圧力が高いと平均自由行程が短くなり、反応性の高い粒子が十分に基板に到 達できない。そのため、例えば基板—ターゲット間の距離を 60mmとした場合、成膜室 21内に導入するガスの圧力は 6 X 10— 3Torr以下とすることが望まし 、。
[0037] 陽極と基板の成す角度 0 を 30° とした場合 (本実施例）、及び、 Θ を 0° (基板を
0 0
陽極に平行に配置)した場合 (比較例）のそれぞれについて、試料を作製し、その評 価を行った。試料作製には上記図 2の装置を用いた。その装置のマグネトロン回路 2 2の半径は 35mm、陰極 23及び陽極 24の半径は 51mm、ターゲット 28 陽極 24間の 距離は 60mmである。用いた基板は、パイレックス (登録商標)ガラス基板上にアルミ- ゥムを蒸着した金属膜蒸着基板である。この基板の大きさは長さ 50mm、幅 25mm、厚 さ lmmであり、長さ方向の一方の端部 20aは上記中心線上であって陽極 24から 25m mだけ陰極 23側の位置に配置した。このように基板を配置してマグネトロンスパッタリ ングを行うことにより、基板の長さ方向に温度勾配が形成された。成膜室 21内に導入 した Arガスと 0ガスの混合比は圧力比で 1:3、混合ガスの圧力は 7 X 10— 4Torrである。
2
陰極 23に供給した電力は 60Wであり、スパッタリングは 20時間行った。
[0038] 本実施例及び比較例の薄膜につ!、て 2 0 / ω走査 X線回折測定を行ったところ、 Vヽ ずれの薄膜も 2 0 =56° 付近に鋭いピークを持つチャートが得られた。図 4に本実施 例の 2 0 / ω走査 X線回折測定のチャートを示す。この図には、基板の上記中心線側 の端部（上流側端部)力 の距離が異なる複数の点における測定結果を示した。なお 、 2 Θ =38° 付近に見られるピークは基板のアルミニウム電極膜によるものである。この 2 0 / ω走査 X線回折測定の結果は、本実施例及び比較例の薄膜共に、基板に平行 な方向に ZnOの (11-20)面が形成されて 、ること、即ち c軸が面内配向して 、ることを 示す。なお、 2 0 / ω走査 X線回折測定においては、図 5(a)に示すように、薄膜 41表 面への X線の入射光 42と該入射光の入射点 X線検出器 43を結ぶ線 44の成す角 度 2 θ、及び、該入射光 42と薄膜 41表面との成す角度 ωを共に走査する。
[0039] 次に、本実施例及び比較例の薄膜につ!、て ω走査 X線回折測定を行った。 ω走 查 X線回折測定は、図 5(b)に示すように、 2 Θを固定して ωのみを走査するものである 。配向試料中の結晶軸のばらつきが大きいほど、チャートに現れるピークの幅が広く なる。本実施例では 2 Θを、上記 2 0 / ω走査 X線回折測定により得られた (11-20)ピー クの 2 Θ値に固定して ω走査 X線回折測定を行い、得られたピークについて半値全 幅を求めた。その値を図 6に示す。横軸は基板の上流側端部からの距離を表す。図 6から、本実施例においては、上流側端部からの距離が 5〜35mmの範囲に亘つて、 半値全幅が 5.5° 以下に抑えられている。半値全幅が 5.5° 以下であれば、トランスデ ユーサ等のデバイスに用いるのに十分に c軸が配向しているといえる。そして、この範 囲は、比較例において半値全幅が 5.5° 以下である範囲（上流側端部力もの距離力 S1 5〜30mm)よりも大きい。従って、本実施例の方法により、比較例の場合よりも面積の 大きい、トランスデューサ等のデバイスに用いることのできる c軸面内配向 ZnO薄膜を 得ることができると!/、える。
[0040] 図 7に、本発明の ZnO薄膜の製造方法を実施するための薄膜製造装置の他の例を 示す。図 2の装置と同様に、基板 20はマグネトロン回路 22、陰極 23及び陽極 24の 中心を結ぶ線（図中の一点鎖線)から外れた位置に、この線に対して角度を持つよう に固定される。また、成膜室 21、マグネトロン回路 22、陰極 23、陽極 24、ターゲット 2 8及びガス源 29の構成も図 2の装置と同様である。本実施例においては、基板台 25 の基板端部 20a側にヒータ 26を、基板端部 20b側に水冷装置 27を、それぞれ設ける 。この薄膜製造装置の動作は、ヒータ 26及び冷却装置 27により基板 20に温度勾配 をつける点を除き、図 2の装置と同様である。この構成により、原料流の密度分布によ り自然に形成される温度勾配に加えて、ヒータ 26及び水冷装置 27がその温度勾配 を更に大きくする。この構成は、自然に形成される温度勾配だけでは十分に ZnO薄 膜の c軸が面内配向しない場合に特に有効である。

Claims

請求の範囲
[1] プラズマ中に形成された薄膜原料の一軸方向の流れであって、該軸に直交する方 向に密度勾配を有する原料流を形成し、基板を、高密度側において原料流の上流 側、低密度側において下流側となるように、該原料流中に傾斜して配置することを特 徴とする薄膜製造方法。
[2] プラズマ中に形成された、酸化亜鉛から成る薄膜原料の一軸方向の流れであって
、該軸に直交する方向に密度勾配を有する原料流を形成し、基板を、高密度側にお
V、て原料流の上流側、低密度側にお 、て下流側となるように、該原料流中に傾斜し て配置することを特徴とする薄膜製造方法。
[3] 加熱手段及び Z又は冷却手段により前記基板に温度勾配を付与することを特徴と する請求項 1又は 2に記載の薄膜製造方法。
[4] 前記原料流をマグネトロンスパッタリング装置により形成することを特徴とする請求 項 1〜3のいずれかに記載の薄膜製造方法。
[5] 前記基板が金属基板又は表面に金属を蒸着した基板から成ることを特徴とする請 求項 1〜4のいずれかに記載の薄膜製造方法。
[6] 前記基板が単結晶基板であることを特徴とする請求項 1〜4の 、ずれかに記載の 薄膜製造方法。
PCT/JP2005/017111 2004-09-16 2005-09-16 薄膜製造方法 WO2006030884A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/662,805 US7951272B2 (en) 2004-09-16 2005-09-16 Thin film producing method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004269087A JP3932458B2 (ja) 2004-09-16 2004-09-16 薄膜製造方法
JP2004-269087 2004-09-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006030884A1 true WO2006030884A1 (ja) 2006-03-23

Family

ID=36060131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/017111 WO2006030884A1 (ja) 2004-09-16 2005-09-16 薄膜製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7951272B2 (ja)
JP (1) JP3932458B2 (ja)
WO (1) WO2006030884A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102879289A (zh) * 2012-09-26 2013-01-16 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种PbTiO3智能涂层的制备方法和PbTiO3智能涂层
CN105908147A (zh) * 2016-07-07 2016-08-31 重庆科技学院 非平衡磁控溅射电极及系统
CN106894018A (zh) * 2017-04-01 2017-06-27 三峡大学 一种原位异质形核反应制备定向生长m7c3涂层的制备装置及方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5007973B2 (ja) * 2007-04-03 2012-08-22 独立行政法人産業技術総合研究所 薄膜製造方法
US8845867B2 (en) * 2008-12-09 2014-09-30 Tdk Corporation Method for manufacturing magnetoresistance effect element using simultaneous sputtering of Zn and ZnO
JP5510403B2 (ja) * 2011-07-04 2014-06-04 株式会社デンソー 結晶軸傾斜膜の製造方法
US9359081B2 (en) * 2012-06-12 2016-06-07 The Boeing Company Icing condition detection system
CN112853286A (zh) * 2019-11-12 2021-05-28 应用材料公司 压电膜的物理气相沉积
CN111041437A (zh) * 2019-12-04 2020-04-21 山东科技大学 一种溅射沉积倾斜c轴压电薄膜的辅助装置
CN111270214B (zh) * 2020-03-26 2022-03-18 郑州科之诚机床工具有限公司 一种磁控溅射制备c轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0878333A (ja) * 1994-09-07 1996-03-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 膜形成用プラズマ装置
JP2004156057A (ja) * 2002-09-10 2004-06-03 Ulvac Japan Ltd 炭素薄膜の形成方法および得られた炭素薄膜
JP3561745B1 (ja) * 2003-02-11 2004-09-02 関西ティー・エル・オー株式会社 薄膜製造方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5023918A (ja) 1973-07-02 1975-03-14
JPH0688218A (ja) * 1990-11-15 1994-03-29 Tosoh Corp 酸化亜鉛系焼結体及びその製造方法並びに用途
US5382345A (en) * 1993-02-16 1995-01-17 Industrial Technology Research Institute Apparatus for simultaneously coating a film of magneto-optical recording medium on a plurality of disk substrates
JP3449013B2 (ja) 1995-02-21 2003-09-22 株式会社村田製作所 横波トランスデューサ
US6106689A (en) * 1997-01-20 2000-08-22 Canon Kabushiki Kaisha Process for forming zinc oxide film and processes for producing semiconductor device substrate and photo-electricity generating device using the film
US6077402A (en) * 1997-05-16 2000-06-20 Applied Materials, Inc. Central coil design for ionized metal plasma deposition
US6426786B1 (en) * 1999-06-01 2002-07-30 International Business Machines Corporation Method of homeotropic alignment or tilted homeotropic alignment of liquid crystals by single oblique evaporation of oxides and liquid crystal display device formed thereby

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0878333A (ja) * 1994-09-07 1996-03-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 膜形成用プラズマ装置
JP2004156057A (ja) * 2002-09-10 2004-06-03 Ulvac Japan Ltd 炭素薄膜の形成方法および得られた炭素薄膜
JP3561745B1 (ja) * 2003-02-11 2004-09-02 関西ティー・エル・オー株式会社 薄膜製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102879289A (zh) * 2012-09-26 2013-01-16 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种PbTiO3智能涂层的制备方法和PbTiO3智能涂层
CN105908147A (zh) * 2016-07-07 2016-08-31 重庆科技学院 非平衡磁控溅射电极及系统
CN106894018A (zh) * 2017-04-01 2017-06-27 三峡大学 一种原位异质形核反应制备定向生长m7c3涂层的制备装置及方法
CN106894018B (zh) * 2017-04-01 2023-06-02 三峡大学 一种原位异质形核反应制备定向生长m7c3涂层的制备装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006083010A (ja) 2006-03-30
JP3932458B2 (ja) 2007-06-20
US20080118661A1 (en) 2008-05-22
US7951272B2 (en) 2011-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2006030884A1 (ja) 薄膜製造方法
JP4624005B2 (ja) 薄膜バルク音響共鳴器における圧電結合係数を制御して製造される装置
JP4328853B2 (ja) 圧電素子およびその製造方法
Yanagitani et al. Shear mode electromechanical coupling coefficient k15 and crystallites alignment of (112¯) textured ZnO films
Martin et al. Shear mode coupling and tilted grain growth of AlN thin films in BAW resonators
JP4784815B2 (ja) 高次モード薄膜共振器、圧電体薄膜及び圧電体薄膜の製造方法
US11949400B2 (en) Multiple layer system, method of manufacture and saw device formed on the multiple layer system
US5320865A (en) Method of manufacturing a surface acoustic wave device
EP1174525A2 (en) Thin film, method for manufacturing thin film, and electronic component
WO2012124409A1 (ja) 強誘電体薄膜およびその製造方法
US4749900A (en) Multi-layer acoustic transducer for high frequency ultrasound
US5646468A (en) Diamond-LiTaO3 surface acoustic wave device
JP3561745B1 (ja) 薄膜製造方法
US20050035829A1 (en) Electronic component and method for manufacturing the same
TW202002508A (zh) 接合體及彈性波元件
EP0691739B1 (en) Surface acoustic wave device
Mitsuyu et al. Piezoelectric thin films of zinc oxide for saw devices
Iriarte et al. Effect of substrate–target distance and sputtering pressure in the synthesis of AlN thin films
US20100133091A1 (en) Thin film producing method and hexagonal piezoelectric thin film produced thereby
CN113676147A (zh) 用于表面声波器件的复合基板及其制造方法
Wasa et al. Electromechanical coupling factors of single-domain 0.67 Pb (Mg1∕ 3Nb2∕ 3) O3–0.33 PbTiO3 single-crystal thin films
Tomar et al. Temperature stability of ZnO thin film SAW device on fused quartz
JP5007973B2 (ja) 薄膜製造方法
JP4998652B2 (ja) 強誘電体薄膜、強誘電体薄膜の製造方法、圧電体素子の製造方法
Kadota et al. Shear bulk wave transducer made of (1120)-plane epitaxial ZnO film on R-sapphire

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV LY MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11662805

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase
WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 11662805

Country of ref document: US