JP2005264247A - Film deposition device, method for producing structure comprising insulator and electrode and structure comprising insulator and electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁体(誘電体)と電極とを含む構造体及びその製造方法、並びに、その製造方法を用いた成膜装置に関する。 The present invention relates to a structure including an insulator (dielectric) and an electrode, a manufacturing method thereof, and a film forming apparatus using the manufacturing method.
絶縁体(誘電体)の両端に電極が形成された構造体は、コンデンサ、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタのインクヘッド、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。近年、MEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)関連の機器の開発に伴い、このような構造を有する素子の微細化及び集積化がますます進んでいる。 Structures in which electrodes are formed on both ends of an insulator (dielectric) are used in various applications such as capacitors, piezoelectric actuators, piezoelectric pumps, ink heads of ink jet printers, and ultrasonic transducers. In recent years, along with the development of MEMS (microelectromechanical system) related devices, miniaturization and integration of elements having such a structure are progressing.
対向電極を有する素子の微細化においては、素子の面積を小さくすると電極間の容量が小さくなるので、素子の電気インピーダンスが上昇するという問題が生じている。例えば、圧電アクチュエータにおいて電気インピーダンスが上昇すると、圧電アクチュエータを駆動するための信号回路とのインピーダンスマッチングが取れなくなって電力が供給され難くなり、圧電アクチュエータとしての性能が落ちてしまう。或いは、圧電素子を用いた超音波トランスデューサにおいては、超音波の検出感度が落ちてしまう。そのため、素子を微細化しつつ電極間容量を大きくするために、複数の絶縁層と複数の電極層とを交互に積層することが行われている。即ち、積層された複数の層を並列に接続することにより、素子全体の電極間容量を大きくすることができる。 In miniaturization of an element having a counter electrode, if the area of the element is reduced, the capacitance between the electrodes is reduced, which causes a problem that the electrical impedance of the element increases. For example, when the electrical impedance rises in the piezoelectric actuator, impedance matching with the signal circuit for driving the piezoelectric actuator cannot be achieved, and it becomes difficult to supply power, and the performance as a piezoelectric actuator is reduced. Or in the ultrasonic transducer using a piezoelectric element, the detection sensitivity of an ultrasonic wave will fall. Therefore, in order to increase the interelectrode capacitance while miniaturizing the element, a plurality of insulating layers and a plurality of electrode layers are alternately stacked. That is, the inter-electrode capacitance of the entire device can be increased by connecting a plurality of stacked layers in parallel.
関連する技術として、特許文献1には、予め焼成されたセラミックシートに、積層後に内部電極となる電極を形成した後、該電極が形成された複数枚のセラミックシートを、ガラスを用いて接着することにより、圧電体中に内部電極が配設された積層構造体を形成することが開示されている。また、特許文献2には、複数の柱状圧電体と、該複数の柱状圧電体の間に位置する誘電体部分と、該複数の柱状圧電体を横切るように、該複数の柱状圧電体の長手方向と交わる方向に伸びる少なくとも1つの内部導体とを有する複合圧電体が開示されている。このような構造とすることにより、微細でアスペクト比の高い複数の柱状圧電体を有し、電気的インピーダンスの小さい複合圧電体を、性能を低下させることなく安価に製造することができる。 As a related technique, in Patent Document 1, after forming an electrode to be an internal electrode after lamination on a previously fired ceramic sheet, a plurality of ceramic sheets on which the electrode is formed are bonded using glass. Thus, it is disclosed to form a laminated structure in which internal electrodes are disposed in a piezoelectric body. Further, Patent Document 2 discloses a plurality of columnar piezoelectric bodies, a dielectric portion positioned between the plurality of columnar piezoelectric bodies, and the longitudinal length of the plurality of columnar piezoelectric bodies so as to cross the plurality of columnar piezoelectric bodies. A composite piezoelectric body having at least one inner conductor extending in a direction crossing the direction is disclosed. With such a structure, a composite piezoelectric body having a plurality of columnar piezoelectric bodies with a high aspect ratio and a small electrical impedance can be manufactured at low cost without degrading performance.
上記の文献のいずれにおいても、圧電体はグリーンシートを用いて作製されている。しかしながら、グリーンシートを用いる場合には、薄いシートを張り合わせる際にシートが割れやすいというハンドリング上の問題があるので、積層構造体の各層を30μm程度以下まで薄くすることは困難である。また、そのような積層構造体を分割して微細な素子を作製することはさらに困難である。加えて、グリーンシートにはバインダー等の不純物が含まれているので、十分な圧電性能を得ることができない等の問題がある。 In any of the above documents, the piezoelectric body is manufactured using a green sheet. However, in the case of using a green sheet, there is a handling problem that the sheet is easily broken when the thin sheets are laminated, and thus it is difficult to reduce each layer of the laminated structure to about 30 μm or less. In addition, it is more difficult to divide such a laminated structure to produce a fine element. In addition, since the green sheet contains impurities such as a binder, there is a problem that sufficient piezoelectric performance cannot be obtained.
ところで、近年、バインダーを混入させることなく圧電体層を形成するために、成膜技術を用いることが検討されている。例えば、スパッタ法や、物理気相成長法(PVD:physical vapor deposition)や、化学気相成長法(CVD:chemical vapor deposition)に代表される薄膜形成方法はよく知られている。しかしながら、これらの方法では厚膜を形成することが困難であり、圧電体の各層が5μm以上になるような積層構造体を作製することはできない。 By the way, in recent years, it has been studied to use a film forming technique in order to form a piezoelectric layer without mixing a binder. For example, thin film formation methods represented by sputtering, physical vapor deposition (PVD), and chemical vapor deposition (CVD) are well known. However, it is difficult to form a thick film by these methods, and it is impossible to manufacture a laminated structure in which each layer of the piezoelectric body is 5 μm or more.
そのため、緻密且つ強固な厚膜を形成できる成膜方法として、エアロゾルデポジション(aerosol deposition:AD)法、又は、ガスデポジション法と呼ばれる方法が注目されている。AD法又はガスデポジション法とは、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)等の原料の超微粒子をノズルから基板に向けて噴射し、基板や先に形成された膜に衝突させることによって原料を堆積させる成膜方法である。 Therefore, a method called an aerosol deposition (AD) method or a gas deposition method has attracted attention as a film forming method capable of forming a dense and strong thick film. The AD method or the gas deposition method is a method in which ultrafine particles of raw materials such as PZT (lead zirconate titanate) are sprayed from the nozzle toward the substrate to the substrate or the film formed earlier. This is a film forming method in which raw materials are deposited by collision.
特許文献3には、そのようなガスデポジション法において、安定した膜質を提供するために、各工程における成膜条件を抽出して最適化することが開示されている。また、特許文献4には、そのような成膜法において、少なくとも上記超微粒子の流れが上記基板に衝突する以前においてこれら超微粒子や基板にイオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギー原子、分子である高速の高エネルギービームを照射することにより、超微粒子や基板表面を溶融することなく活性化し、上記超微粒子と基板若しくは超微粒子相互の結合を促進させ、超微粒子の結晶性を保持したまま緻密で良好な膜物性と基板への良好な密着性を有する堆積物を形成する超微粒子成膜法が開示されている。
Patent Document 3 discloses that in such a gas deposition method, film formation conditions in each step are extracted and optimized in order to provide stable film quality. Further, in
このように、AD法を用いることにより、圧電性能の良い圧電体膜を得ることができる。また、原料の超微粒子を基板に吹き付ける際にマスクを用いることにより、基板上に圧電体膜のパターンを形成することも可能である。しかしながら、圧電アクチュエータ等を作製する際には、AD法によって形成された圧電体膜を成膜室から一旦取り出し、別途電極を形成しなくてはならない。そのため、複数の圧電体膜と電極とが交互に積層された構造体を作製する場合には、プロセスが煩雑となってしまう。 Thus, by using the AD method, a piezoelectric film with good piezoelectric performance can be obtained. Further, it is possible to form a pattern of the piezoelectric film on the substrate by using a mask when spraying the ultrafine particles of the raw material onto the substrate. However, when manufacturing a piezoelectric actuator or the like, it is necessary to take out the piezoelectric film formed by the AD method from the deposition chamber and form an electrode separately. Therefore, when producing a structure in which a plurality of piezoelectric films and electrodes are alternately stacked, the process becomes complicated.
特許文献5には、ガスデポジション法によって圧電体膜を形成するのに適した電極膜として、1種以上の材料からなり、膜厚が0.15μmより厚い積層構造電極が開示されている。しかしながら、この場合においても、電極膜を形成するためのスパッタリング装置と圧電体膜を形成するためのガスデポジション装置とを順次使う必要があるので、やはりプロセスが煩雑である。また、スパッタ法によって電極膜を形成するので、所望の領域に任意の電極パターンを形成することはできない。 Patent Document 5 discloses a laminated structure electrode made of one or more materials and having a thickness greater than 0.15 μm as an electrode film suitable for forming a piezoelectric film by a gas deposition method. However, even in this case, it is necessary to sequentially use a sputtering apparatus for forming the electrode film and a gas deposition apparatus for forming the piezoelectric film, so that the process is complicated. Moreover, since an electrode film is formed by sputtering, an arbitrary electrode pattern cannot be formed in a desired region.
ここで、任意の電極パターンを形成する場合には、フォトリソグラフィー技術を用いることが考えられる。しかしながら、その場合には、成膜面にレジストを形成するプロセスがさらに必要となり煩雑である。また、成膜面に5μm程度以上の段差がある場合にはレジストを均一に塗布することができないので、成膜面が均一でなかったり、下層に凹凸のあるパターンが形成されている場合には、フォトリソグラフィー技術を用いることは困難である。 Here, when forming an arbitrary electrode pattern, it is conceivable to use a photolithography technique. However, in that case, a process of forming a resist on the film formation surface is further required, which is complicated. In addition, when there is a step of about 5 μm or more on the film formation surface, the resist cannot be applied uniformly. Therefore, when the film formation surface is not uniform or a pattern with unevenness is formed in the lower layer It is difficult to use a photolithography technique.
さらに、特許文献6には、点欠陥に係る画素電極を正常な他の画素電極と電気的に接続させることにより点欠陥を矯正(リペア)したアレイ基板、及びその製造方法において、画素開口率を高く保つとともに、点欠陥のリペアを確実かつ容易に行い、また、画素電極同士を接続する配線電気抵抗を十分に小さくするために、点欠陥リペア用の回路を設けず、YLFレーザーの第3高調波を用いるレーザーCVDにより、タングステン等からなるブリッジ配線を作成することが開示されている。この方法においては、レーザーCVD法により、リペアに用いられる電極が形成されているが、積層構造の内部電極としても用いることができるカバレッジ性の高い電極については提案されていない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、絶縁体(誘電体)と電極とを含む構造体を、簡単なプロセスで容易に作製することを第1の目的とする。また、本発明は、そのような構造体の製造プロセスにおいて、凹凸のある表面や側面であっても、任意のパターンを容易に形成できる成膜方法を提供することを第2の目的とする。さらに、本発明は、そのような製造プロセス用いることにより、絶縁体と電極とを含む性能の良い構造体を提供することを第3の目的とする。 In view of the above, the first object of the present invention is to easily manufacture a structure including an insulator (dielectric) and an electrode by a simple process. A second object of the present invention is to provide a film forming method capable of easily forming an arbitrary pattern even on an uneven surface or side surface in the manufacturing process of such a structure. Furthermore, a third object of the present invention is to provide a structure having good performance including an insulator and an electrode by using such a manufacturing process.
上記課題を解決するため、本発明に係る成膜装置は、構造物が形成される基板を保持するホルダが配置された成膜室と、該成膜室内を排気する排気手段と、容器に配置された原料の粉体をガスによって吹き上げることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、成膜室に配置され、エアロゾル生成手段によって生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射するノズルと、化学気相成長法において用いられる成膜材料の前駆体である原料ガスを成膜室に導入する手段と、基板又は該基板に形成された構造物表面の所定の領域において原料ガスを反応させるために、該領域を照射するようにレーザ光を発生するレーザ光発生手段とを具備する。 In order to solve the above problems, a film forming apparatus according to the present invention is provided in a film forming chamber in which a holder for holding a substrate on which a structure is formed is disposed, an exhaust unit for exhausting the film forming chamber, and a container. The raw material powder is blown up with gas to generate an aerosol, a nozzle that is disposed in the film forming chamber and that injects the aerosol generated by the aerosol generating unit toward the substrate, and a chemical vapor phase A means for introducing a source gas, which is a precursor of a film forming material used in the growth method, into the film forming chamber, and for reacting the source gas in a predetermined region of the substrate or a structure surface formed on the substrate, Laser light generating means for generating laser light to irradiate the region.
また、本発明に係る絶縁体及び電極を含む構造体の製造方法は、容器に配置された絶縁材料の粉体をガスによって吹き上げることにより、エアロゾルを生成する工程(a)と、成膜室に配置された基板に向けて、工程(a)において生成されたエアロゾルをノズルから噴射して絶縁材料の粉体を堆積させることにより、基板上の所定の領域に絶縁層を形成する工程(b)と、成膜室を排気することによってエアロゾルを除去すると共に、化学気相成長法において用いられる電極材料の前駆体である原料ガスを成膜室に導入し、絶縁層の上面及び/又は側面の所定の領域に光を照射することにより、電極を形成する工程(c)とを具備する。 In addition, the method for manufacturing a structure including an insulator and an electrode according to the present invention includes a step (a) of generating an aerosol by blowing a powder of an insulating material arranged in a container with a gas, and a film forming chamber. A step (b) of forming an insulating layer in a predetermined region on the substrate by spraying the aerosol generated in the step (a) from the nozzle and depositing the powder of the insulating material toward the arranged substrate. And the aerosol is removed by exhausting the film formation chamber, and a source gas which is a precursor of an electrode material used in the chemical vapor deposition method is introduced into the film formation chamber, so that the top surface and / or the side surface of the insulating layer And (c) forming an electrode by irradiating a predetermined region with light.
さらに、本発明に係る絶縁体及び電極を含む構造体は、絶縁材料の粉体をノズルから基板に向けて噴射して堆積させることによって形成された絶縁層と、化学気相成長法において用いられる電極材料の前駆体である原料ガスの雰囲気中において、絶縁層の上面及び/又は側面の所定の領域に光を照射することによって形成された電極とを具備する。 Furthermore, a structure including an insulator and an electrode according to the present invention is used in an insulating layer formed by spraying and depositing a powder of an insulating material from a nozzle toward a substrate and a chemical vapor deposition method. And an electrode formed by irradiating a predetermined region on the upper surface and / or side surface of the insulating layer with light in an atmosphere of a source gas which is a precursor of the electrode material.
本発明によれば、エアロゾルデポジション法による絶縁体の厚膜形成と、CVD法による電極の薄膜形成とを、1つの成膜室において行うことができるので、異なる成膜装置を使い分ける手間を要することなく、絶縁体及び電極を含む構造体を容易に作製することができる。また、CVD法を用いることにより、レジストを使用する必要がなくなるので、少ないプロセスで、凹凸のある表面や側面にも任意の膜パターンを形成することができる。さらに、エアロゾルデポジション法により、緻密且つ強固な絶縁体の厚膜を形成できると共に、CVD法により、電極をカバレッジ性良く形成できるので、絶縁体及び電極を含む性能の良い構造体を得ることができる。 According to the present invention, the thick film formation of the insulator by the aerosol deposition method and the thin film formation of the electrode by the CVD method can be performed in one film formation chamber. Therefore, a structure including an insulator and an electrode can be easily manufactured. Further, by using the CVD method, it is not necessary to use a resist, so that an arbitrary film pattern can be formed on the uneven surface or side surface with a small number of processes. Furthermore, a dense and strong insulating thick film can be formed by the aerosol deposition method, and an electrode can be formed with good coverage by the CVD method, so that a structure with good performance including the insulator and the electrode can be obtained. it can.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
本実施形態に係る成膜装置は、エアロゾルデポジション法による成膜と、光CVD法による成膜との両方を行うことができる装置である。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことであり、エアロゾルデポジション法(AD法)とは、原料の粉体を含むエアロゾルを基板に向けて噴射し、その際の衝突エネルギーにより原料を下層に堆積させる成膜方法である。AD法によって形成された厚膜は、緻密且つ強固であると共に、バインダ等の不純物を含まない。そのため、AD法は、主に、絶縁体や誘電体を含む脆性材料の膜を形成する場合に用いられており、特に、圧電材料を含むセラミックスの厚膜を形成する場合に適している。また、AD法によって作製された圧電体は、良好な圧電性能を示すことが知られている。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The film forming apparatus according to this embodiment is an apparatus that can perform both film formation by an aerosol deposition method and film formation by a photo-CVD method. Here, the aerosol is solid or liquid fine particles floating in the gas, and the aerosol deposition method (AD method) is an injection including a raw material powder toward the substrate, This is a film forming method in which a raw material is deposited on the lower layer by collision energy at that time. The thick film formed by the AD method is dense and strong and does not contain impurities such as a binder. Therefore, the AD method is mainly used when forming a film of a brittle material including an insulator or a dielectric, and is particularly suitable for forming a thick ceramic film including a piezoelectric material. In addition, it is known that a piezoelectric body manufactured by the AD method exhibits good piezoelectric performance.
一方、CVD(chemical vapor deposition:化学気相成長)法とは、成膜材料を含む原料ガス(前駆体)の雰囲気中において、原料ガスに熱やプラズマや光によるエネルギーを与え、それによって生じた分解反応によって成膜材料を基板等に付着させる薄膜形成方法である。その内の光CVD法とは、光励起エネルギーを用いるものであり、ラジカルのみの反応によって低温で成膜できるという特徴がある。 On the other hand, the CVD (chemical vapor deposition) method is caused by applying energy to the source gas by heat, plasma, or light in the atmosphere of the source gas (precursor) containing the film forming material. This is a thin film forming method in which a film forming material is attached to a substrate or the like by a decomposition reaction. Among them, the photo-CVD method uses photo-excitation energy and has a feature that a film can be formed at a low temperature by reaction of radicals alone.
図1は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、エアロゾル用ガスボンベ1と、搬送管2a及び2bと、エアロゾル生成室3と、原料ガス生成室4と、搬送管5a及び5bと、バブリング用ガスボンベ6と、成膜室7と、レーザ光発生部8とを含んでいる。また、成膜室7には、排気ポンプ9と、レーザ光導入窓10が設けられており、成膜室7の内部には、ノズル11と、基板20を保持する基板ホルダ12と、可動マスク13とが配置されている。
FIG. 1 is a schematic view showing a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. This film forming apparatus includes an aerosol gas cylinder 1,
エアロゾル用ガスボンベ1〜エアロゾル生成室3においては、エアロゾルデポジション法において用いられるエアロゾルが生成される。
エアロゾル用ガスボンベ1には、キャリアガスとして使用される窒素(N2)が充填されている。また、エアロゾル用ガスボンベ1には、圧力調整部1aが設けられており、これにより、キャリアガスの供給量が調節される。なお、キャリアガスとしては、この他に、酸素(O2)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、又は、乾燥空気等を用いても良い。
In the aerosol gas cylinder 1 to the aerosol generation chamber 3, an aerosol used in the aerosol deposition method is generated.
The aerosol gas cylinder 1 is filled with nitrogen (N 2 ) used as a carrier gas. Further, the aerosol gas cylinder 1 is provided with a pressure adjusting unit 1a, whereby the supply amount of the carrier gas is adjusted. In addition, oxygen (O 2 ), helium (He), argon (Ar), dry air, or the like may be used as the carrier gas.
エアロゾル生成室3は、原料の微小な粉体を配置する容器である。エアロゾル生成室3に、エアロゾル用ガスボンベ1から搬送管2aを介してキャリアガスを導入し、原料の粉体を吹き上げることにより、エアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、搬送管2bを介してノズル11に供給される。
The aerosol generation chamber 3 is a container in which fine powders of raw materials are placed. An aerosol is generated by introducing a carrier gas from the aerosol gas cylinder 1 into the aerosol generation chamber 3 via the
バブリング用ガスボンベ4〜原料ガス生成室6においては、CVD法において用いられる原料ガスが生成される。なお、CVD法において用いられる原料については、後で説明する。
バブリング用ガスボンベ4には、液化された原料ガスをバブリングするために用いられるヘリウム(He)やアルゴン(Ar)等の不活性ガスが配置されている。また、バブリング用ガスボンベ6には、マスフローコントローラ6aが設けられている。マスフローコントローラ6aによって原料ガス生成室6に供給されるガスの量を制御することにより、成膜室7に導入される原料ガスの流量が調節される。
In the bubbling
The bubbling
原料ガス生成室6に液化された原料ガスを配置し、バブリング用ガスボンベ4から、搬送管5aを介して、原料ガス生成室6にキャリアガスを導入することにより、液化原料ガスがバブリングされる。それによって生成された原料ガスは、搬送管5bを介して成膜室7に導入される。
The liquefied source gas is bubbled by disposing the liquefied source gas in the source
なお、バブリング用ガスボンベ4〜原料ガス生成室6を複数系統設けても構わない。それにより、原料ガス生成室6を兼用することなく、原料の異なる複数種類の膜を形成することができる。その場合には、複数種類の原料ガスを、同時に又は別々に成膜室に導入しても構わない。原料ガスを生成する方法としては、バブリングの他にも溶液気化法等の公知の方法を用いることができる。
Note that a plurality of systems of bubbling
成膜室7においては、エアロゾルデポジション法による厚膜形成と、光CVD法による薄膜形成とが行われる。成膜室7の内部は、排気ポンプ9によって排気されており、それにより、成膜室7内がクリーニングされると共に、それぞれの成膜に適した真空度に保たれる。
In the film forming chamber 7, thick film formation by the aerosol deposition method and thin film formation by the photo CVD method are performed. The inside of the film forming chamber 7 is evacuated by an
レーザ光発生部8は、CVD法において用いられるレーザ光LBを発生する。レーザ光発生部8は、出射されたレーザ光LBがレーザ光導入窓10を通って基板20を照射するように配置されている。
本実施形態において用いられるレーザ光は、供給される原料ガスを分解できる程度のエネルギーを有していれば良く、或いは、原料ガスを熱分解できる程度に局部的に加熱できれば良い。前者の場合には、光エネルギーによる光CVDを行うことができ、後者の場合には、レーザ光が有する熱エネルギーによる熱CVDを行うことができる。具体的には、レーザ光発生部8として、ArFエキシマレーザ、KrFエキシマレーザ、XeClエキシマレーザ、アルゴンイオンレーザ、窒素レーザ、YAGレーザ等、様々なものを用いることができる。また、発振形態としては、パルス発振及び連続発振のいずれでも構わない。本実施形態においては、ArFエキシマレーザを用いている。さらに、集光レンズやコリメートレンズ等の光学系を用いることにより、レーザ光をスポットサイズに変換して対象領域を照射しても構わない。
The
The laser beam used in the present embodiment only needs to have energy that can decompose the supplied source gas, or can be heated locally to the extent that the source gas can be thermally decomposed. In the former case, optical CVD by light energy can be performed, and in the latter case, thermal CVD by thermal energy possessed by laser light can be performed. Specifically, various types of
また、レーザ光発生部8には、レーザ光駆動部8aが設けられている。レーザ光駆動部8aは、レーザ光LBが基板20上の所定の領域を走査するように、レーザ光LBの照射位置を制御する。これは、例えば、レーザ光LBの出射方向を制御することにより実現できる。それにより、基板20上の所望の領域に薄膜を形成でき、微細なパターンを直接描画することも可能になる。
Further, the
成膜室7に配置されているノズル11は、エアロゾル生成室3から供給されたエアロゾルを、基板20に向けて高速で噴射する。ノズル11は、例えば、長さ5mm、幅0.5mm程度の開口を有している。
The
基板ホルダ12は、構造物が形成される基板20を保持している。また、基板ホルダ12には、ホルダ駆動部12aが設けられており、これによって基板ホルダ12が平行移動したり、回転したり、傾けられる。基板ホルダ駆動部12aを制御することにより、基板20とノズル11との相対的な位置や、基板20とレーザ光LBとの相対的な位置や角度を3次元的に変化させることができる。
The
可動マスク13は、成膜パターンを有する開口が形成されたマスクである。AD法において、マスクによってエアロゾルを遮蔽することにより、基板20上に所望のパターンを形成することができる。また、可動マスク13には、可動マスク駆動部13aが設けられており、これにより、基板20と可動マスク13との相対的な位置を3次元的に変化させることができる。
The
さらに、図1に示すように、ガスボンベ14及び搬送管15を成膜室7に設けても良い。これらのガスボンベ14及び搬送管15は、例えば、アルゴンガスのように原料ガスを希釈するためのガスや、水素ガスのように原料ガスと反応させるためのガスを導入する際に用いることができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
次に、CVD法において用いられる原料について説明する。
CVD法においては、原料として、成膜材料を含む無機系の単体又は化合物や、有機金属又は金属錯体のガスが用いられる。そのため、電極膜を形成する場合には、蒸気圧の高い化合物が存在する金属を用いることが適切である。
Next, raw materials used in the CVD method will be described.
In the CVD method, an inorganic simple substance or compound containing a film forming material, or an organic metal or metal complex gas is used as a raw material. Therefore, when forming an electrode film, it is appropriate to use a metal having a compound having a high vapor pressure.
原料ガスの種類としては、塩化物及びフッ化物を含む金属ハロゲン化物や、有機金属又は金属錯体を用いることが好ましい。また、腐食性や安全性の面からは、塩化物やフッ化物よりも、有機金属(MO:metal organic)ガスを用いることがより好ましい。なお、金属ハロゲン化物が用いられるCVDは、水素還元反応により成膜するものであり、無機CVDと呼ばれている。また、有機金属又は金属錯体が用いられるCVDは、それらを分解して金属を析出させることにより成膜するものであり、MOCVDと呼ばれている。また、CVD法において用いることができる原料ガスの詳細については、真下正夫、吉田政次編、「薄膜工学ハンドブック」、株式会社講談社、1998年10月20日、p.390−400を参照されたい。 As a kind of source gas, it is preferable to use a metal halide containing a chloride and a fluoride, an organic metal, or a metal complex. In terms of corrosivity and safety, it is more preferable to use an organic metal (MO) gas than chloride or fluoride. Note that CVD using a metal halide is a film formed by a hydrogen reduction reaction, and is called inorganic CVD. Further, CVD using an organic metal or a metal complex is a method of forming a film by decomposing them to deposit a metal, and is called MOCVD. For details of the source gas that can be used in the CVD method, see Masao Manashita, Seiji Yoshida, “Thin Film Engineering Handbook”, Kodansha Co., Ltd., October 20, 1998, p. See 390-400.
図1に示す成膜装置を用いて、圧電体及び電極を含む構造体を作製した。この構造体の作製工程について、図1〜図3を参照しながら説明する。
まず、図2の(a)に示すように、底面電極21が形成された基板20を用意して、図1に示す基板ホルダ12にセットした。本実施形態においては、基板20として、厚さ0.5mmのマコール(登録商標)を用いたが、この他にも、シリコン(Si)やガラスやセラミックス等を用いることができる。ここで、マコール(登録商標)とは、米国コーニング社製のマシナブルセラミックス(機械加工容易なセラミックス)である。また、底面電極21は、基板20の所定の領域に、例えば、厚さ約300nmの白金(Pt)を、スパッタ法又は真空蒸着法等を用いて成膜することにより作製した。なお、底面電極21は、後の工程と同様に、図1に示す成膜装置において作製しても良い。
A structure including a piezoelectric body and an electrode was manufactured using the film formation apparatus shown in FIG. The manufacturing process of this structure will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2A, a
また、可動マスク13を所定の位置に配置した。本実施形態においては、可動マスク13として、5mm角の開口パターンが形成された厚さ0.03mmのSUS(特殊用途用ステンレス)を用いた。さらに、排気ポンプ9を用いて成膜室7内を所定の圧力(例えば、40Pa)まで減圧すると共に、成膜室7内及び基板20を室温に保った。
Moreover, the
次に、図2の(b)に示すように、AD法を用いてPZT膜22を形成した。即ち、図1に示すエアロゾル生成室3に、平均流径0.3μmの酸化ニオブ(Nb2O5)添加PZTの粉体(52:48)を配置し、エアロゾル用ガスボンベ1から、窒素ガスを約5SLM(L/min at 0℃,101.3kPa)で導入した。これにより、エアロゾル生成室3内において、PZTの粉体が吹き上げられ、エアロゾルが生成された。
Next, as shown in FIG. 2B, a
このエアロゾルを、搬送管2bを介してノズル11に供給し、基板20に向けて噴射した。これにより、図1の(b)に示すように、PZTの粉体が可動マスク13の開口部に堆積し、底面電極21の上層にPZT膜22が形成された。なお、成膜の際には、成膜室7内の圧力は50Pa程度であった。
PZT膜22を約30μm形成した後、成膜室7内を約0.1Paまで真空引きすることにより、成膜室7に浮遊しているPZTの粉体及び窒素ガスを除去した。
This aerosol was supplied to the
After forming the
次に、図2の(c)に示すように、チタン(Ti)膜23a及び白金(Pt)膜23bを含む2層電極23を形成した。ここで、白金は、PZTとの反応性が低いので電極の材料として適しているが、PZTとの密着性が低い。そのため、高アスペクト比の領域における被覆性が優れ、PZTや白金との密着性が高いチタン膜を白金膜の下層に配置している。なお、白金膜の上面には、AD法によってPZT膜が強固に密着するので問題ない。この他に、PZTの電極に適した金属としては、ルテニウム(Ru)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)等が挙げられる。また、本実施形態においては、原料ガスとして有機金属ガスを用いる光MOCVDを行った。
Next, as shown in FIG. 2C, a two-
まず、チタン電極の原料となる液化イソプロキシチタン(Ti(i−OC2H5)4)を、原料ガス生成室6に配置した。そして、液化イソプロキシチタンをバブリングすることにより、イソプロキシチタンガスを生成し、搬送管5bを介して成膜室7に導入した。さらに、希釈ガスとして、アルゴンガスを約100ccmで別途導入し、成膜室7内を500Pa程度に保った。次に、レーザ光発生部8からエネルギー約50mJのレーザ光LBを出射し、PZT膜22上を繰り返し周波数20Hzで走査した。その際に、PZT膜22の一方の端部(図の右側)に絶縁領域が残るようにレーザ光を走査した。これにより、約20nmのチタン膜23aが形成された。
First, liquefied isoproxy titanium (Ti (i-OC 2 H 5 ) 4 ) serving as a raw material for the titanium electrode was placed in the raw material
次いで、成膜室7内を排気することにより、成膜室7内に導入されたイソプロキシチタンガス及び希釈ガスを除去した。また、白金(Pt)電極の原料となる液化(C3H5)(C2H5)Ptを原料ガス生成室6に配置し、バブリングによって(C3H5)(C2H5)Ptガスを成膜室7に導入した。さらに、希釈ガスとして、アルゴンガスを約100ccmで別途導入し、成膜室7内を500Pa程度に保った。次に、レーザ光発生部8からレーザ光LBを出射し、チタン膜23aの上面を繰り返し周波数20Hzで走査することにより、約200nmの白金膜23bを形成した。その後で、成膜室7内を排気することにより、原料ガス及び希釈ガスを除去した。なお、白金膜23bの厚さをこのように厚くしたのは、後で行われるAD法において、上から吹き付けられた粉体が白金膜23bに食い込んだ場合においても、導電層としての良好に機能できるようにするためである。
Subsequently, the inside of the film formation chamber 7 was evacuated to remove the isoproxy titanium gas and the dilution gas introduced into the film formation chamber 7. Further, platinum (Pt) raw material to become liquefied electrode (C 3 H 5) (C 2 H 5) and Pt are arranged in the raw material
次に、図2の(d)に示すように、可動マスク13と基板20との距離を離し、AD法によってPZT膜24を形成した。続いて、図2の(e)に示すように、光CVD法によってチタン膜25a及び白金膜25bを含む2層電極25を形成した。その際に、PZT膜24の他方の端部(図の左側)に絶縁領域が残るようにレーザ光を走査した。さらに、図3の(f)に示すように、可動マスク13を移動させ、AD法によってPZT膜22を形成した。
Next, as shown in FIG. 2D, the
このような図2の(c)〜図3の(f)に示す工程を繰り返すことにより、図3の(g)に示す積層体を作製した。
さらに、図3の(h)に示すように、成膜室7に電極の原料ガスを導入して積層体21〜25の側面にレーザ光を照射することにより、複数の電極23を互いに電気的に接続する側面電極26と、電極21及び複数の電極25を互いに電気的に接続する側面電極27を形成した。その際には、レーザ光が積層体に対して、なるべく垂直に近い角度で入射するように、図1に示す基板ホルダ駆動部12aを制御した。これにより、カバレッジ性の良い側面電極26及び27を形成できた。
図3の(h)示すような圧電体と電極とが交互に積層された構造体は、例えば、圧電アクチュエータとして用いることができる。
By repeating the steps shown in FIG. 2C to FIG. 3F, a laminate shown in FIG. 3G was manufactured.
Further, as shown in FIG. 3 (h), a plurality of
A structure in which piezoelectric bodies and electrodes are alternately stacked as shown in FIG. 3H can be used as, for example, a piezoelectric actuator.
このようにして作製された構造体の組成を、2次イオン質量分析計(secondary ion-microprobe mass:SIMS)を用いて分析した。その結果、チタン膜は0.7重量%の炭素を、白金膜は0.4重量%の炭素をそれぞれ含んでいることが確認された。
ここで、光MOCVD法によって形成された金属膜は、通常、微量の炭素(例えば、0.05重量%以上)を含んでいる。そのため、金属膜の組成を調べることにより、その金属膜が、本実施形態におけるもののように、光MOCVD法によって形成されたものであるか、或いは、スパッタ法等の他の方法によって形成されたものであるかを判別することが可能である。一方、そのような炭素等の不純物が多くなると(例えば、2重量%より多い場合)、電極としての性能が低下してしまうので適当ではない。しかしながら、上記の通り、本実施形態に係る成膜装置において形成された金属膜は、ごく少量しか不純物を含まないので、電極として良好な機能を発揮することができる。
The composition of the structure thus produced was analyzed using a secondary ion-microprobe mass (SIMS). As a result, it was confirmed that the titanium film contained 0.7 wt% carbon and the platinum film contained 0.4 wt% carbon.
Here, the metal film formed by the optical MOCVD method usually contains a trace amount of carbon (for example, 0.05% by weight or more). Therefore, by examining the composition of the metal film, the metal film is formed by an optical MOCVD method as in the present embodiment, or formed by another method such as a sputtering method. Can be determined. On the other hand, when such an impurity such as carbon is increased (for example, when it is more than 2% by weight), the performance as an electrode is deteriorated. However, as described above, the metal film formed in the film forming apparatus according to the present embodiment contains a very small amount of impurities, and thus can exhibit a good function as an electrode.
ところで、AD法においては、原料の粉体を噴射して下層(基板や電極膜)に衝突させる際に、原料の粉体が下層に食い込む「アンカーリング」と呼ばれる現象が顕著に生じる。アンカーリングによって生じたアンカー層の深さは、下層の材質や粉体の速度によって異なるが、通常は、10nm〜100nm程度となる。従って、基板や電極膜の界面を観察することにより、本実施形態におけるもののように、絶縁体(PZT膜)がAD法によって形成されたものであるか否かを判別することが可能である。 By the way, in the AD method, when the raw material powder is jetted and collided with the lower layer (substrate or electrode film), a phenomenon called “anchoring” in which the raw material powder bites into the lower layer occurs remarkably. The depth of the anchor layer generated by anchoring varies depending on the material of the lower layer and the speed of the powder, but is usually about 10 nm to 100 nm. Therefore, by observing the interface between the substrate and the electrode film, it is possible to determine whether or not the insulator (PZT film) is formed by the AD method as in the present embodiment.
以上説明したように、本実施形態によれば、1つの成膜装置において、AD法による成膜と光CVD法による成膜との両方を行うことができるので、異なる種類の膜が交互に積層された積層構造体であっても、容易に、且つ、低コストで作製することができる。また、AD法を用いることにより、バルク材を用いる場合には困難な1mm以下の良質な圧電体を形成することができる。さらに、光CVD法を用いることにより、レジストを用いることなく、所望の領域に薄膜を形成することができると共に、例えば、5μm以上の凹凸のある面や、アスペクト比が高い側面にも、カバレッジ性の良い薄膜を容易に形成することができる。従って、プロセス数を減らしつつ、絶縁体及び電極を含む品質の高い構造体を作製することが可能になる。 As described above, according to the present embodiment, both film formation by the AD method and film formation by the photo-CVD method can be performed in one film formation apparatus, so that different types of films are alternately stacked. Even a laminated structure made can be manufactured easily and at low cost. Further, by using the AD method, it is possible to form a high-quality piezoelectric body of 1 mm or less, which is difficult when using a bulk material. In addition, by using a photo-CVD method, a thin film can be formed in a desired region without using a resist. For example, coverage characteristics can be applied to a surface having unevenness of 5 μm or more and a side surface having a high aspect ratio. A good thin film can be easily formed. Therefore, it is possible to manufacture a high-quality structure including an insulator and an electrode while reducing the number of processes.
以上説明した本発明の一実施形態においては、複数のPZT膜と電極とを積層した後に側面電極を形成したが、図4に示すように、各PZT膜31の上に電極を形成する毎に側面電極32を形成しても良い。このように、アスペクト比が小さいうちにCVD法による成膜を行うことにより、さらに容易且つ確実に側面を被膜することができる。
In the embodiment of the present invention described above, the side electrodes are formed after laminating a plurality of PZT films and electrodes, but each time an electrode is formed on each
また、本実施形態において用いられているCVD法により成膜できる材料は金属に限られない。即ち、CVD法を用いて、絶縁体や半導体の所望のパターンを形成しても良い。例えば、図2の(e)に示す電極23、25を形成する替わりに、PZT膜の上面全体に電極を形成し、各電極に絶縁領域を設ける替わりに、CVD法を用いて電極の端面に絶縁膜を形成する。さらに、それらの絶縁膜を覆うように側面電極を形成することにより、図3の(h)に示す構造体と回路的に等価の構造体を作製することができる。
The material that can be formed by the CVD method used in this embodiment is not limited to metal. That is, a desired pattern of an insulator or a semiconductor may be formed using a CVD method. For example, instead of forming the
さらに、本実施形態においては、レーザ光の光エネルギーを利用した光CVD法を行ったが、レーザ光の熱エネルギーを利用した熱CVD法を行っても良い。この場合においても、レーザ光が照射された領域のみが加熱されるので、所望の膜パターンを形成することができる。 Furthermore, in this embodiment, the optical CVD method using the optical energy of the laser beam is performed, but the thermal CVD method using the thermal energy of the laser beam may be performed. Even in this case, since only the region irradiated with the laser light is heated, a desired film pattern can be formed.
或いは、出射されるレーザ光の出力を調節することにより、先にAD法によって形成され絶縁体に対して、アブレーションや、レーザアニ−ルを行っても良い。前者の場合には、例えば、PZT膜に穴を開ける等、任意の位置の膜を切除することができる。また、後者の場合には、パルス光を照射することによってPZT膜を瞬間的に溶融及び結晶化させるため、基板や先に形成された電極の温度上昇を抑えることができる。いずれにしても、1つの成膜室内でそれらの加工を行うことができるので、手間や製造コストを省くことができる。 Alternatively, ablation or laser annealing may be performed on the insulator previously formed by the AD method by adjusting the output of the emitted laser light. In the former case, for example, the film at an arbitrary position can be excised, such as making a hole in the PZT film. In the latter case, the PZT film is instantaneously melted and crystallized by irradiating pulsed light, so that the temperature rise of the substrate and the previously formed electrode can be suppressed. In any case, since these processes can be performed in one film formation chamber, labor and manufacturing cost can be saved.
本発明は、コンデンサ、圧電アクチュエータ、圧電センサ、インクジェットプリンタのインクヘッド、超音波トランスデューサ等のように、絶縁体及び電極を含む構造体において利用可能である。 The present invention can be used in a structure including an insulator and an electrode, such as a capacitor, a piezoelectric actuator, a piezoelectric sensor, an ink head of an inkjet printer, and an ultrasonic transducer.
1 エアロゾル用ガスボンベ
1a、6a マスフローコントローラ
2a、2b 5a、5b、15 搬送管
3 エアロゾル生成室
4 原料ガス生成室
6 バブリング用ガスボンベ
7 成膜室
8 レーザ光発生部
9 排気ポンプ
10 レーザ光導入窓
11 ノズル
12 基板ホルダ
12a 基板ホルダ駆動部
13 可動マスク
13a 可動マスク駆動部
14 ガスボンベ
20 基板
21、23、25 電極
22、24、31 PZT膜
26、27、32 側面電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記成膜室内を排気する排気手段と、
容器に配置された原料の粉体をガスによって吹き上げることにより、エアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、
前記成膜室に配置され、前記エアロゾル生成手段によって生成されたエアロゾルを前記基板に向けて噴射するノズルと、
化学気相成長法において用いられる成膜材料の前駆体である原料ガスを前記成膜室に導入する手段と、
前記基板又は該基板に形成された構造物表面の所定の領域において前記原料ガスを反応させるために、該領域を照射するようにレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
を具備する成膜装置。 A film forming chamber in which a holder for holding a substrate on which a structure is formed is disposed;
An exhaust means for exhausting the film forming chamber;
Aerosol generating means for generating an aerosol by blowing up the raw material powder disposed in the container with a gas;
A nozzle that is disposed in the film forming chamber and injects the aerosol generated by the aerosol generating means toward the substrate;
Means for introducing a source gas, which is a precursor of a film forming material used in the chemical vapor deposition method, into the film forming chamber;
Laser light generating means for generating laser light so as to irradiate the region in order to react the source gas in a predetermined region of the substrate or a structure surface formed on the substrate;
A film forming apparatus comprising:
成膜室に配置された基板に向けて、工程(a)において生成されたエアロゾルをノズルから噴射して絶縁材料の粉体を堆積させることにより、前記基板上の所定の領域に絶縁層を形成する工程(b)と、
前記成膜室を排気することによって前記エアロゾルを除去すると共に、化学気相成長法において用いられる電極材料の前駆体である原料ガスを前記成膜室に導入し、前記絶縁層の上面及び/又は側面の所定の領域に光を照射することにより、電極を形成する工程(c)と、
を具備する絶縁体及び電極を含む構造体の製造方法。 A step (a) of generating an aerosol by blowing up a powder of an insulating material disposed in a container with a gas;
An insulating layer is formed in a predetermined region on the substrate by spraying the aerosol generated in step (a) from the nozzle and depositing the powder of the insulating material toward the substrate disposed in the film formation chamber. Step (b) to perform,
The aerosol is removed by evacuating the deposition chamber, and a source gas that is a precursor of an electrode material used in chemical vapor deposition is introduced into the deposition chamber, and the upper surface of the insulating layer and / or (C) forming an electrode by irradiating light on a predetermined region of the side surface;
A method of manufacturing a structure including an insulator and an electrode.
化学気相成長法において用いられる電極材料の前駆体である原料ガスの雰囲気中において、前記絶縁層の上面及び/又は側面の所定の領域に光を照射することによって形成された電極と、
を具備する絶縁体及び電極を含む構造体。 An insulating layer formed by spraying and depositing a powder of insulating material from the nozzle toward the substrate;
An electrode formed by irradiating light on a predetermined region of the upper surface and / or side surface of the insulating layer in an atmosphere of a source gas which is a precursor of an electrode material used in chemical vapor deposition;
A structure including an insulator and an electrode.
前記原料ガスの雰囲気中において、前記第2の絶縁層上の所定の領域に光を照射することによって形成された第3の電極と、
前記原料ガスの雰囲気中において、前記第1及び/又は第2の絶縁層の側面の所定の領域に光を照射することにより、前記第1電極と前記第3の電極とを電気的に接続するように形成された側面電極と、
を具備する請求項8記載の絶縁体及び電極を含む構造体。 A second insulating layer formed by spraying and depositing a powder of an insulating material from a nozzle toward the insulating layer on which the electrode is formed;
A third electrode formed by irradiating a predetermined region on the second insulating layer with light in the source gas atmosphere;
In the atmosphere of the source gas, the first electrode and the third electrode are electrically connected by irradiating light to a predetermined region on the side surface of the first and / or second insulating layer. A side electrode formed as follows:
A structure including the insulator and the electrode according to claim 8.
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