專利名稱：電介質(zhì)薄膜的成膜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電介質(zhì)薄膜的成膜方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，采用鋯鈦酸鉛(Pb (Zr，Ti) 03、PZT)等強(qiáng)電介質(zhì)的壓電元件應(yīng)用于噴墨頭、加速度傳感器等MEMS (Micro Electro Mechanical Systems:微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)。圖4是表示(100 ) / (001)取向的PZT薄膜、(111)取向的PZT薄膜的壓電特性的曲線圖。已知(100)/ (001)取向的PZT薄膜顯示出比(111)取向的PZT薄膜更大的壓電特性。下面對(duì)已有的電介質(zhì)薄膜的成膜方法進(jìn)行說(shuō)明。形成壓電元件時(shí)，對(duì)于要成膜的襯底采用在帶熱氧化膜的Si襯底上依序預(yù)先層疊了作為緊貼層的Ti薄膜和作為下部電極層的貴金屬薄膜的襯底。貴金屬薄膜為Pt或Ir薄膜，優(yōu)先取向于(111)面。圖5表示對(duì)襯底進(jìn)行加熱的發(fā)熱構(gòu)件的溫度變化。在抽真空的真空槽內(nèi)使發(fā)熱構(gòu)件在這里升溫并保持在640°C，使襯底達(dá)到適于形成PZT薄膜的成膜溫度。向真空槽內(nèi)導(dǎo)入濺射氣體，對(duì)靶施加交流電壓時(shí)，被導(dǎo)入的濺射氣體發(fā)生電離，實(shí)現(xiàn)等離子體化。等離子體中的離子濺射靶的表面，從靶射出PZT顆粒。從靶射出的PZT顆粒的一部分射向被加熱的襯底的表面，在襯底的貴金屬薄膜上形成PZT薄膜。形成規(guī)定膜厚的PZT薄膜后，停止對(duì)靶施加電壓，停止導(dǎo)入濺射氣體。使發(fā)熱構(gòu)件降溫并保持于400°c，使襯底冷卻。圖6表示用已有的電介質(zhì)薄膜的成膜方法在Pt薄膜上形成的PZT薄膜的中央部(Center)、外緣部(Edge)、中央部與外緣部之間的中間部(Middle)3個(gè)部位的X射線衍射圖案。可知形成的PZT薄膜優(yōu)先向(111)方向取向。也就是說(shuō)，已有的電介質(zhì)薄膜成膜方法中存在難以形成(100)/ (001)取向的PZT薄膜的問題。在先技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:日本特開2007 - 327106號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2:日本特開2010 - 084180號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)3:日本特開2003 - 081694號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
本發(fā)明是為解決上述已有技術(shù)的缺陷而創(chuàng)作的，其目的在于，提供能夠形成(100)/(001)取向的PZT薄膜的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。
解決問題的手段
本發(fā)明的發(fā)明者推測(cè)，在已有的成膜方法中，在PZT薄膜成膜的初期，由于Pb會(huì)向貴金屬薄膜方向擴(kuò)散、或再蒸發(fā)這樣的影響，在PZT薄膜上發(fā)生Pb缺損形成TiO2,在TiO2/貴金屬的薄膜上形成的PZT薄膜優(yōu)先取向于(111)方向，并發(fā)現(xiàn)通過在貴金屬薄膜上預(yù)先形成PbO的種子層，能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的。根據(jù)這樣的見解作出的本發(fā)明是具有在已抽真空的真空槽內(nèi)一邊加熱襯底一邊對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)的靶施加電壓進(jìn)行濺射，在上述襯底的表面形成PZT薄膜的成膜工序的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，該方法在上述成膜工序之前具有使PbO氣體附著于上述襯底的表面以形成種子層的種子層形成工序。本發(fā)明是電介質(zhì)薄膜的成膜方法，是在上述種子層形成工序中，在上述真空槽內(nèi)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有Pb和O的釋放源進(jìn)行加熱，使上述釋放源放出PbO氣體的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。本發(fā)明是電介質(zhì)薄膜的成膜方法，是在上述種子層形成工序中，一邊使上述釋放源放出PbO氣體一邊將不與PbO反應(yīng)的惰性氣體導(dǎo)入上述真空槽內(nèi)的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。本發(fā)明是電介質(zhì)薄膜的成膜方法，是在上述種子層形成工序中，將上述釋放源加熱到比上述成膜工序中的上述襯底的溫度高的溫度的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。本發(fā)明是電介質(zhì)薄膜的成膜方法，是在上述種子層形成工序中，將上述釋放源加熱到比上述成膜工序中的上述襯底的溫度高50°C以上的溫度的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，
本發(fā)明是電介質(zhì)薄膜的成膜方法，是所述襯底在表面上具有優(yōu)先向(111)面取向的Pt、Ir中的任一貴金屬薄膜的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。發(fā)明效果
由于能夠在(111)取向的Pt薄膜或Ir薄膜上形成(100 ) / (001)取向的PZT薄膜，因此能夠得到比以往壓電特性大的壓電元件。


圖1是本發(fā)明的電介質(zhì)薄膜的成膜方法中使用的電介質(zhì)成膜裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖； 圖2是表示本發(fā)明的電介質(zhì)薄膜的成膜方法中的發(fā)熱構(gòu)件的溫度變化的 圖3是表示用本發(fā)明的電介質(zhì)薄膜的成膜方法形成的PZT薄膜的X射線衍射圖案的
圖4是表示(100 ) / (001)取向的PZT薄膜和(111)取向的PZT薄膜的壓電特性的曲線 圖5是表示已有的電介質(zhì)膜的成膜方法中的發(fā)熱構(gòu)件的溫度變化的 圖6是表示用已有的電介質(zhì)薄膜的成膜方法形成的PZT薄膜的X射線衍射圖案的圖。 符號(hào)說(shuō)明 11……真空槽；
21……靶；
31……襯底。
具體實(shí)施例方式<電介質(zhì)成膜裝置的結(jié)構(gòu)>
對(duì)本發(fā)明的電介質(zhì)薄膜的成膜方法中使用的電介質(zhì)成膜裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖1是電介質(zhì)成膜裝置10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。電介質(zhì)成膜裝置10具有真空槽11、在真空槽11內(nèi)配置的PZT的靶21、配置于與靶21相對(duì)的位置上，支持襯底31的襯底支持臺(tái)32、對(duì)被支持于襯底支持臺(tái)32的襯底31進(jìn)行加熱的襯底加熱部18、對(duì)靶21施加電壓的濺射電源13、向真空槽11內(nèi)導(dǎo)入濺射氣體的濺射氣體導(dǎo)入部14、以及在真空槽11內(nèi)配置于從靶21射出的PZT顆粒附著的位置上的第一、第二防附著板34、35。在真空槽11的壁面上，隔著絕緣構(gòu)件28安裝陰極22，陰極22與真空槽11電絕緣。真空槽11處于接地電位。陰極22的表面露出于真空槽11內(nèi)。靶21緊貼固定于陰極22的表面的中央部，靶21與陰極22電連接。濺射電源13配置于真空槽11的外側(cè)，與陰極22電連接，形成能夠通過陰極22對(duì)靶21施加交流電壓的結(jié)構(gòu)。在陰極22的與靶21相反的一側(cè)配置磁體裝置29。磁體裝置29構(gòu)成為能夠在靶21表面形成磁力線。襯底支持臺(tái)32在這里是碳化硅(SiC)，外周形成為比襯底31的外周大，表面與靶21的表面相對(duì)。襯底支持臺(tái)32的表面的中央部構(gòu)成為能夠?qū)σr底31靜電吸附地加以支持。使襯底31靜電吸附于襯底支持臺(tái)32的表面的中央部時(shí)，襯底31的背面緊貼襯底支持臺(tái)32的表面的中央部，襯底31與襯底支持臺(tái)32形成熱學(xué)連接。第一防附著板34是石英、氧化鋁等陶瓷，內(nèi)周形成比襯底31的外周大的環(huán)狀，覆蓋著襯底支持臺(tái)32的表面的中央部的外側(cè)、S卩外緣部配置。因此，從靶21射出的顆粒不附著于襯底支持臺(tái)32的表面的外緣部。第一防附著板34的背面緊貼襯底支持臺(tái)32的表面的外緣部，第一防附著板34與襯底支持臺(tái)32形成熱學(xué)連接。在襯底支持臺(tái)32的表面的中央部載置襯底31時(shí)，第一防附著板34成為從襯底31的外周包圍著外側(cè)。第二防附著板35是石英、氧化鋁等陶瓷，內(nèi)周做成比靶21的外周、襯底31的外周大的筒狀。第二防附著板35配置于襯底支持臺(tái)32與陰極21之間，包圍著襯底31與靶21之間的空間的側(cè)方。因此，從靶21射出的顆粒不會(huì)附著于真空槽11的壁面。襯底加熱部18具有發(fā)熱構(gòu)件33和加熱用電源17。發(fā)熱構(gòu)件33在這里是SiC，配置于襯底支持臺(tái)32的與襯底31相反的一側(cè)，加熱用電源17與發(fā)熱構(gòu)件33電連接。從加熱用電源17向發(fā)熱構(gòu)件33通直流電流時(shí)，發(fā)熱構(gòu)件33發(fā)熱，襯底支持臺(tái)32被加熱，襯底支持臺(tái)32上的襯底31與第一防附著板34 —起被加熱。襯底31的背面緊貼襯底支持臺(tái)32的表面的中央部，從襯底31的中央部到外緣部均勻地受到導(dǎo)熱。
發(fā)熱構(gòu)件33的與襯底支持臺(tái)32相反的一側(cè)配置著冷卻裝置38。冷卻裝置38形成能夠在內(nèi)部使受到溫度管理的制冷劑循環(huán)的結(jié)構(gòu)，即使發(fā)熱構(gòu)件33發(fā)熱，真空槽11的壁面也不會(huì)被加熱。濺射氣體導(dǎo)入部14與真空槽11內(nèi)連接，能夠向真空槽11內(nèi)導(dǎo)入濺射氣體。<電介質(zhì)薄膜的成膜方法>
說(shuō)明本發(fā)明的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。對(duì)于要成膜的襯底31，在這里采用在Si襯底的熱氧化膜(SiO2)上依序預(yù)先層疊作為緊貼層的Ti薄膜和作為下部電極層的貴金屬薄膜的襯底。貴金屬薄膜為Pt或Ir的薄膜，優(yōu)先取向于(111)面。借助于試驗(yàn)或模擬預(yù)先求得對(duì)PZT薄膜的成膜合適的襯底31的溫度(以下稱為“成膜溫度”)。首先，作為準(zhǔn)備工序，將抽真空裝置15連接到真空槽11內(nèi)，將真空槽11內(nèi)抽真空。以后，繼續(xù)抽真空，維持真空槽11內(nèi)的真空氣氛。在這里，一邊維持真空槽11內(nèi)的真空氣氛，一邊將與要成膜的襯底31不同的虛擬襯底移入真空槽11內(nèi)，載置于襯底支持臺(tái)32的表面的中央部，進(jìn)行靶21的濺射，使第一防附著板34的表面預(yù)先附著PZT薄膜。接著，在使真空槽11內(nèi)保持真空氣氛的同時(shí)將虛擬襯底轉(zhuǎn)移到真空槽11的外側(cè)。本發(fā)明只要能夠使化學(xué)結(jié)構(gòu)中含鉛(Pb)和氧(O)的金屬化合物(以下稱為“釋放源”)附著于第一防附著板34的表面，不限定在真空槽11內(nèi)使用虛擬襯底進(jìn)行濺射的方法，也可以將用別的成膜裝置預(yù)先使其附著PZT或PbO等化學(xué)結(jié)構(gòu)中含Pb和O的金屬化合物的第一防附著板34搬入真空槽11內(nèi)使用。在維持真空槽11內(nèi)的真空氣氛的同時(shí)將要成膜的襯底31搬入真空槽11內(nèi)，以襯底31表面的貴金屬薄膜與靶21的表面為相對(duì)的方向，將襯底31保持于襯底支持臺(tái)32的表面的中央部。使經(jīng)過溫度管理的制冷劑在冷卻裝置38中循環(huán)。圖2表示以下的種子層形成工序與成膜工序中發(fā)熱構(gòu)件33的溫度變化。作為種子層形成工序，從濺射氣體導(dǎo)入部14向真空槽11內(nèi)導(dǎo)入不與PbO發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體。在這里，惰性氣體采用作為濺射氣體的氬氣(Ar)。以后繼續(xù)導(dǎo)入惰性氣體。在真空槽11內(nèi)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有Pb和O的釋放源進(jìn)行加熱，使釋放源放出PbO氣體。在這里，加熱用電源17向發(fā)熱構(gòu)件33流出直流電流，對(duì)發(fā)熱構(gòu)件33進(jìn)行加熱，將第一防附著板34上附著的PZT薄膜加熱到比預(yù)先求得的成膜溫度高的溫度。從第一防附著板34上附著的PZT薄膜中放出PbO氣體。最好是使第一防附著板34上附著的PZT薄膜為比預(yù)先求得的成膜溫度高50°C以上的高溫。這是因?yàn)镻bO氣體能夠釋放得更多。在這里，使發(fā)熱構(gòu)件33升溫到785°C，保持該溫度。在襯底31表面的貴金屬薄膜上附著，在襯底31表面的貴金屬薄膜上形成PbO的種子層。使發(fā)熱構(gòu)件33冷卻，使襯底31為成膜溫度。在這里，使發(fā)熱構(gòu)件33冷卻到640°C，保持該溫度。接著，作為成膜工序，一邊使襯底31保持于成膜溫度，一邊從濺射氣體導(dǎo)入部14向真空槽11內(nèi)導(dǎo)入作為濺射氣體的氬氣(Ar)，從電源13向陰極22施加交流電壓時(shí)，導(dǎo)入的濺射氣體電離，實(shí)現(xiàn)等離子體化。等離子體中的離子被磁體裝置29形成的磁力線所捕捉，射向靶21的表面，使PZT顆粒從靶21飛出。從靶21射出的PZT顆粒的一部分射向襯底31的表面。在襯底31表面的貴金屬薄膜上，由于預(yù)先形成PbO種子層，由種子層提供Pb和0，在PZT薄膜上不發(fā)生Pb缺損，在種子層上形成(001)/ (100)取向的PZT膜。圖3 (b)表示用本發(fā)明的成膜方法在Pt薄膜上形成的PZT薄膜的中央部(Center)、外緣部(Edge)、中央部與外緣部之間的中間部(Middle)這3個(gè)部位的X射線衍射圖案。從圖3 (b)的X射線衍射圖案可知，形成優(yōu)先取向于(100)/ (001)方向的PZT薄膜。從靶21射出的PZT顆粒的一部分附著于第一防附著板34的表面，成為下一次種子層形成工序的PbO氣體的釋放源。在襯底31上形成規(guī)定膜厚的PZT薄膜后，停止從電源13向陰極22施加電壓，停止從濺射氣體導(dǎo)入部14向真空槽11內(nèi)導(dǎo)入濺射氣體。停止從加熱用電源17向發(fā)熱構(gòu)件33提供電流，使發(fā)熱構(gòu)件33冷卻，使襯底31為比成膜溫度低的溫度。這是為了用搬送機(jī)械手(robot，或稱機(jī)器人)搬送襯底31。在這里，使發(fā)熱構(gòu)件33降溫到400°C，保持該溫度。在維持真空槽11內(nèi)的真空氣氛的同時(shí)將已成膜的襯底31移出到真空槽11的外偵牝接著將別的未成膜的襯底31送入到真空槽11內(nèi)，反復(fù)進(jìn)行上述種子層形成工序和成膜工程。本發(fā)明的種子層形成工序中，在真空槽11內(nèi)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有Pb和O的釋放源進(jìn)行加熱，只要能夠從釋放源放出PbO氣體，對(duì)第一防附著板34上附著的PZT薄膜的加熱方法沒有限定，也可以在第二防附著板35的外周側(cè)面配置發(fā)熱構(gòu)件，對(duì)第二防附著板35的內(nèi)周側(cè)面上附著的PZT薄膜進(jìn)行加熱，使PbO氣體放出。在這種情況下，放出的PbO氣體即使與惰性氣體不發(fā)生沖突，也由于射向襯底31表面，能夠省略惰性氣體的導(dǎo)入。也可以在真空槽11內(nèi)在第一防附著板34之外另外配置坩堝(未圖示)，在坩堝內(nèi)放入PZT、PbO等釋放源，加熱坩堝內(nèi)的釋放源使其放出PbO氣體。如果使坩堝的開口向著放出的PbO氣體射向襯底31表面的方向，則能夠省略惰性氣體的導(dǎo)入。在本發(fā)明的種子層形成工序中，只要能夠使PbO氣體附著于襯底31的表面，不限于在真空槽11內(nèi)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有Pb和O的釋放源進(jìn)行加熱以使釋放源放出PbO氣體的方法，也包含將在真空槽11的外側(cè)配置、放出PbO氣體的PbO氣體釋放部(未圖示)連接到真空槽11內(nèi)，從PbO氣體釋放部將PbO氣體導(dǎo)入真空槽11內(nèi)，使PbO氣體附著于襯底31的表面的方法。像采用第一、第二防附著板34、35的方法那樣，將被加熱的釋放源配置于從靶21放出的PZT顆粒附著的位置的情況下，在成膜工程中PZT顆粒附著于釋放源，也就是說(shuō)，釋放源得到補(bǔ)充，因此與使用PbO氣體釋放部的方法相比，成膜材料的使用效率高，是理想的`方法
權(quán)利要求
1.一種電介質(zhì)薄膜的成膜方法，具有在已抽真空的真空槽內(nèi)一邊加熱襯底一邊對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)靶施加電壓進(jìn)行濺射，在所述襯底的表面形成PZT薄膜的成膜工序，其特征在于， 在所述成膜工序之前具有使PbO氣體附著于所述襯底的表面以形成種子層的種子層形成工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述種子層形成工序中，在所述真空槽內(nèi)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有Pb和O的釋放源進(jìn)行加熱，使所述釋放源放出PbO氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述種子層形成工序中，一邊使所述釋放源放出PbO氣體一邊將不與PbO反應(yīng)的惰性氣體導(dǎo)入所述真空槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述種子層形成工序中，將所述釋放源加熱到比所述成膜工序中的所述襯底的溫度高的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電介質(zhì)薄膜的成膜方法，其特征在于，在所述種子層形成工序中，將所述釋放源加熱到比所述成膜工序中的所述襯底的溫度高50°C以上的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的電介質(zhì)薄膜的成膜方法,其特征在于,所述襯底在表面具有優(yōu)先向(111)面取向的Pt、Ir中的任一貴金屬的薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠形成具有(100)/(001)取向的PZT薄膜的電介質(zhì)薄膜的成膜方法。使PbO氣體附著在襯底的表面形成種子層后，一邊在已抽真空的真空槽內(nèi)對(duì)襯底進(jìn)行加熱一邊對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)靶施加電壓進(jìn)行濺射，在襯底的表面上形成PZT薄膜。由種子層提供Pb和O，得到在PZT薄膜上不發(fā)生Pb缺損的、具有(001)/(100)取向的PZT膜。
文檔編號(hào)C23C14/02GK103189968SQ201180053170
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月6日
發(fā)明者木村勛, 神保武人, 小林宏樹, 遠(yuǎn)藤洋平, 大西洋平 申請(qǐng)人:株式會(huì)社愛發(fā)科