JP6268966B2 - Method for forming ferroelectric film, electronic device, electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体膜の成膜方法、強誘電体膜を備えた電子素子、及び電子素子を備えた電子機器に関する。 The present invention relates to a method for forming a ferroelectric film, an electronic device including a ferroelectric film, and an electronic apparatus including the electronic device.
インクを吐出するノズル開口と連通する圧力室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子で変形させることで圧力室内のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させるインクジェット記録ヘッドが知られている。インクジェット記録ヘッドに用いられる圧電素子には、圧電素子の軸方向に伸長収縮するものと、たわみ力を利用したものがあるが、たわみ力を利用した圧電素子中の圧電体膜にはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の酸化物結晶膜からなる強誘電体膜が用いられる。 An ink jet recording head in which a part of a pressure chamber communicating with a nozzle opening for discharging ink is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in the pressure chamber and discharge ink from the nozzle opening. It has been known. Piezoelectric elements used in ink jet recording heads include those that expand and contract in the axial direction of the piezoelectric elements and those that use flexural forces. The piezoelectric films in piezoelectric elements that use flexural forces include zircon titanate. A ferroelectric film made of an oxide crystal film such as lead acid (PZT) is used.
このような強誘電体膜はスパッタリング法、ゾルゲル法、MOD法等のCSD法(Chemical Solution Deposition: 化学溶液堆積法)によって下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板上に形成される。CSD法は、基板上に塗布する前駆体液中の(金属)成分組成を容易に変更・制御することが可能で、それにより、得られる酸化物結晶膜の組成と強誘電体膜としての特性を制御できる特徴を有している。 Such a ferroelectric film is formed on a silicon wafer substrate on which a lower electrode is formed by a CSD method (Chemical Solution Deposition) such as a sputtering method, a sol-gel method, or a MOD method. In the CSD method, it is possible to easily change and control the (metal) component composition in the precursor liquid to be coated on the substrate, thereby improving the composition of the obtained oxide crystal film and the characteristics as a ferroelectric film. It has controllable features.
又、シリコンウェハ基板上に形成される下部電極の材料として、それが後のCSD法プロセスの中で晒される高温環境下での安定性や、電極に要求される良好な導電性を有していることが理由となって、白金やイリジウム等の貴金属或いは貴金属酸化物、特に白金が採用されることが通例である。 In addition, as a material for the lower electrode formed on the silicon wafer substrate, it has stability in a high temperature environment where it is exposed in the subsequent CSD process, and good conductivity required for the electrode. For this reason, noble metals or noble metal oxides such as platinum and iridium, especially platinum are usually employed.
下部電極に用いられている白金膜は、通常(111)面に優先配向した多結晶膜であることが多く、その上に成長させた酸化物結晶からなる強誘電体膜は、全く優先配向のない膜か、成膜プロセスの工夫によって白金からなる下部電極と同じ(111)優先配向した膜にしかならない。 The platinum film used for the lower electrode is usually a polycrystalline film preferentially oriented in the (111) plane, and a ferroelectric film made of oxide crystals grown on the platinum film is quite preferentially oriented. Or a film with the same (111) preferential orientation as the lower electrode made of platinum by devising the film formation process.
一方、インクジェット記録ヘッド等に用いられる圧電素子に上記の強誘電体膜を活用する場合、強誘電体膜を形成する酸化物結晶の(100)面が優先的に結晶配向されていると、その強誘電体膜は最も大きなe31圧電定数を保有するようになる。そのため、下部電極上に(100)優先配向した酸化物結晶の強誘電体膜を成膜することが好ましい。 On the other hand, when the above ferroelectric film is used for a piezoelectric element used in an ink jet recording head or the like, if the (100) plane of the oxide crystal forming the ferroelectric film is preferentially crystallized, The ferroelectric film has the largest e31 piezoelectric constant. Therefore, it is preferable to form a (100) preferentially oriented oxide crystal ferroelectric film on the lower electrode.
下部電極上に(100)優先配向した酸化物結晶の強誘電体膜を成膜するためには、例えば、(100)配向しやすい配向制御層を強誘電体膜の下地として予め下部電極上に成膜し、結晶化させる。そして、結晶化した配向制御層上に強誘電体膜を成膜して結晶化すればよい。又、強誘電体膜(結晶膜)の膜厚を厚くするためには、更にその上に強誘電体膜を成膜して結晶化する工程を繰り返せばよい。この場合、配向制御層としては、例えば、強誘電体膜を形成する材料と同一の成分を有する強誘電体材料を用いることができる(例えば、特許文献1、2参照)。
In order to form a (100) preferentially oriented ferroelectric crystal film on the lower electrode, for example, a (100) oriented orientation control layer is preliminarily formed on the lower electrode as a base of the ferroelectric film. A film is formed and crystallized. Then, a ferroelectric film may be formed on the crystallized orientation control layer and crystallized. Further, in order to increase the thickness of the ferroelectric film (crystal film), the process of forming a ferroelectric film thereon and crystallizing it may be repeated. In this case, as the orientation control layer, for example, a ferroelectric material having the same component as the material for forming the ferroelectric film can be used (see, for example,
しかしながら、上記の手法では、強誘電体膜の膜厚が厚くなるに従って、得られる強誘電体膜を形成する酸化物結晶の結晶配向性が低下する問題があった。この問題は、特にインクジェット記録ヘッド等に使用する圧電素子に応用する強誘電体膜の成膜(膜厚:凡そ1μmから2μm)に適用する場合、膜厚が(FeRAM等の電子デバイスと比較して)非常に厚くなるため、顕著に現れる。 However, the above method has a problem that the crystal orientation of the oxide crystal forming the obtained ferroelectric film is lowered as the thickness of the ferroelectric film is increased. This problem is particularly high when applied to the formation of a ferroelectric film (film thickness: approximately 1 μm to 2 μm) applied to a piezoelectric element used in an ink jet recording head or the like (compared to an electronic device such as FeRAM). ) It becomes very thick and appears prominently.
このような問題が生じるのは、以下の理由による。すなわち、下部電極、配向制御層、強誘電体膜の各層において、それぞれを構成する元素種或いは組成比が異なるため、各層を形成する結晶格子の格子定数が異なる。そのため、下部電極と配向制御層、配向制御層と強誘電体膜の界面において結晶格子のミスマッチが生じる。この結晶格子のミスマッチは、各層間の界面で歪及び応力を生じさせる原因となる。 Such a problem occurs for the following reason. That is, since the element types or composition ratios of the lower electrode, the orientation control layer, and the ferroelectric film are different, the lattice constants of the crystal lattices forming the layers are different. Therefore, crystal lattice mismatch occurs at the interface between the lower electrode and the orientation control layer and between the orientation control layer and the ferroelectric film. This crystal lattice mismatch causes strain and stress at the interface between the layers.
各層間の界面で生じた歪及び応力は、CSD法プロセスで配向制御層の上に強誘電体膜を積層、厚みを増すに従って大きくなる。そして、この歪及び応力は、強誘電体膜を形成する酸化物結晶の結晶方位が揃うことを阻害する(配向性を低下させる)要因となる。そのため、特にインクジェット記録ヘッド等に使用する圧電素子に応用する厚膜の強誘電体膜を成膜する際に、良好な配向性を有する酸化物結晶の強誘電体膜を得ることを困難にする。更に、結晶格子のミスマッチが存在する配向制御層と強誘電体膜との界面は、機械的に破壊しやすくなる。 The strain and stress generated at the interface between the layers increase as the thickness of the ferroelectric film is increased by stacking the ferroelectric film on the orientation control layer by the CSD process. And this distortion and stress become a factor which inhibits that the crystal orientation of the oxide crystal which forms a ferroelectric film aligns (it reduces orientation). Therefore, it becomes difficult to obtain a ferroelectric film of oxide crystal having a good orientation, particularly when a thick ferroelectric film applied to a piezoelectric element used in an ink jet recording head or the like is formed. . Furthermore, the interface between the orientation control layer and the ferroelectric film in which there is a crystal lattice mismatch is easily broken mechanically.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、化学溶液堆積法を用いた良好な結晶配向性を有する強誘電体膜の成膜方法等を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method for forming a ferroelectric film having good crystal orientation using a chemical solution deposition method.
本強誘電体膜の成膜方法は、化学溶液堆積法を用いた強誘電体膜の成膜方法であって、非晶質の配向制御層を成膜する工程と、前記非晶質の配向制御層と接するように非晶質の強誘電体膜を成膜する工程と、前記非晶質の配向制御層と前記非晶質の強誘電体膜とを同時に結晶化する工程と、を有し、結晶化された前記配向制御層の厚みが、結晶化された前記強誘電体膜の厚みの1/3から1/2であり、結晶化された前記配向制御層が、結晶化された前記強誘電体膜と同じ結晶構造であり、かつ、構成元素の組成比が異なる強誘電体材料を含むことを要件とする。 The method for forming a ferroelectric film is a method for forming a ferroelectric film using a chemical solution deposition method, the step of forming an amorphous orientation control layer, and the amorphous orientation Forming an amorphous ferroelectric film in contact with the control layer; and simultaneously crystallizing the amorphous orientation control layer and the amorphous ferroelectric film. Then, the thickness of the crystallized orientation control layer is 1/3 to 1/2 of the thickness of the crystallized ferroelectric film, and the crystallized orientation control layer is crystallized. It is necessary to include a ferroelectric material having the same crystal structure as that of the ferroelectric film and having a different composition ratio of constituent elements.
開示の技術によれば、化学溶液堆積法を用いた良好な結晶配向性を有する強誘電体膜の成膜方法等を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a method for forming a ferroelectric film having good crystal orientation using a chemical solution deposition method.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
まず、CSD法(化学溶液堆積法)による成膜方法について説明する。図1は、CSD法による成膜方法について説明するフローチャートである。CSD法により強誘電体膜である(複合)酸化物の結晶膜を成膜する場合、まず酸化物の組成に合わせた前駆体液を合成する。そして、図1のフローチャートのステップS1において、導電膜である下部電極を成膜したシリコンウェハ基板上にスピンコート法等の手法によって前駆体液の塗膜を成膜する(塗布工程)。
<First Embodiment>
First, a film forming method by the CSD method (chemical solution deposition method) will be described. FIG. 1 is a flowchart for explaining a film forming method by the CSD method. In the case of forming a (composite) oxide crystal film, which is a ferroelectric film, by the CSD method, first, a precursor solution that matches the composition of the oxide is synthesized. Then, in step S1 of the flowchart of FIG. 1, a coating film of the precursor liquid is formed on the silicon wafer substrate on which the lower electrode, which is a conductive film, is formed by a technique such as spin coating (application process).
次に、ステップS2において、下部電極上に前駆体液の塗膜を成膜したシリコンウェハ基板を第一の加熱温度(乾燥温度)まで加熱して塗膜中の溶媒を蒸発させて乾燥させ、前駆体乾燥膜とする(乾燥工程)。 Next, in step S2, the silicon wafer substrate having the precursor liquid coating film formed on the lower electrode is heated to the first heating temperature (drying temperature) to evaporate the solvent in the coating film and dry it. A body dry film is formed (drying step).
次に、ステップS3において、前駆体乾燥膜を第一の加熱温度よりも高い第二の加熱温度(熱分解温度)まで加熱して前駆体乾燥膜中の有機成分を分解・燃焼させ、酸化物のアモルファス(非晶質)膜を得る(熱分解工程或いは脱脂工程)。次に、ステップS4において、アモルファス膜を冷却する(冷却工程)。 Next, in step S3, the precursor dry film is heated to a second heating temperature (thermal decomposition temperature) higher than the first heating temperature to decompose and burn organic components in the precursor dry film, and thereby the oxide. An amorphous film is obtained (thermal decomposition process or degreasing process). Next, in step S4, the amorphous film is cooled (cooling process).
続いて、ステップS1に示した塗布工程からステップS4に示した冷却工程を所定回数(X回:X≧1)繰り返す。そして、その後、ステップS5において、熱分解温度より高い第三の加熱温度(結晶化温度)までシリコンウェハ基板上に成膜されたアモルファス膜を加熱して結晶化を行い、強誘電体特性を有する酸化物結晶膜を形成する(結晶化工程)。次に、ステップS6において、酸化物結晶膜を冷却する(冷却工程)。 Subsequently, the cooling process shown in step S4 is repeated a predetermined number of times (X times: X ≧ 1) from the coating process shown in step S1. Thereafter, in step S5, the amorphous film formed on the silicon wafer substrate is heated up to a third heating temperature (crystallization temperature) higher than the thermal decomposition temperature to perform crystallization, and has ferroelectric characteristics. An oxide crystal film is formed (crystallization process). Next, in step S6, the oxide crystal film is cooled (cooling process).
続いて、ステップS1からS4を所定回数(X回)繰り返した後にステップS5及びS6を行う工程を所定回数(Y回:Y≧1)繰り返して酸化物結晶膜を積層し、所望の厚みを持った(厚膜化された)強誘電体膜をシリコンウェハ基板上に形成する。そして、得られたシリコンウェハ基板上の強誘電体膜に導電膜である上部電極を成膜した上、フォトリソ・エッチング等の微細加工を施すことによって、狙いとする圧電素子(圧電アクチュエータ素子)等のデバイスを得る。 Subsequently, steps S1 to S4 are repeated a predetermined number of times (X times), and then steps S5 and S6 are repeated a predetermined number of times (Y times: Y ≧ 1) to stack an oxide crystal film and have a desired thickness. A (thickened) ferroelectric film is formed on the silicon wafer substrate. Then, an upper electrode as a conductive film is formed on the ferroelectric film on the obtained silicon wafer substrate, and fine processing such as photolithography / etching is performed to obtain a target piezoelectric element (piezoelectric actuator element), etc. Get the device.
次に、本実施の形態に係る強誘電体膜の成膜方法について説明する。まず、図2を参照しながら、強誘電体膜を成膜する自動成膜装置について説明し、次に、図3を参照しながら、本実施の形態に係る強誘電体膜の成膜方法について説明する。 Next, a method for forming a ferroelectric film according to the present embodiment will be described. First, an automatic film forming apparatus for forming a ferroelectric film will be described with reference to FIG. 2. Next, a method for forming a ferroelectric film according to the present embodiment will be described with reference to FIG. explain.
図2は、強誘電体膜を成膜する自動成膜装置を例示する図である。自動成膜装置10は、本実施の形態に係る成膜方法により強誘電体膜を成膜する装置である。より詳しくは、自動成膜装置10は、例えば、下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板19を1枚ずつ流動させる枚葉式装置であって、収納部材11と、搬送装置12と、アライナー13と、スピナー塗布装置14と、ホットプレート15と、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置16と、冷却ステージ17とを有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an automatic film forming apparatus for forming a ferroelectric film. The automatic
収納部材11は、シリコンウェハ基板19を収納する部材である。搬送装置12は、シリコンウェハ基板19を自動成膜装置10内の各装置へ搬送する装置である。アライナー13は、自動成膜装置10内におけるシリコンウェハ基板19の受け渡し、位置決め、並びに自動成膜装置10を構成する各装置内でのシリコンウェハ基板19の位置決め及び芯だしを行う装置である。
The storage member 11 is a member that stores the
スピナー塗布装置14は、強誘電体膜の前駆体液及び配向制御層の前駆体液をそれぞれ個別に制御し、シリコンウェハ基板19上に塗布する機構(図示せず)を有する装置である。ホットプレート15は、塗布された前駆体液の塗膜の乾燥を行う装置である。RTA装置16は、前駆体乾燥膜の熱分解工程及び結晶化工程の熱処理を行う装置である。冷却ステージ17は、RTA装置16での熱処理後のシリコンウェハ基板19の冷却を行う装置である。
The
収納部材11に収納されたシリコンウェハ基板19は、搬送装置12により、まず始めにアライナー13によって位置決め・芯だしがなされた後、後述の図3に示すフローチャートに従って、フローチャート中の各工程を担当する各装置間を流動する。
The
なお、本実施の形態では、熱分解工程と結晶化工程を共通の(1台の)RTA装置16で行うが、これには限定されない。例えば、熱分解工程と結晶化工程をそれぞれ別の(2台の)RTA装置で行ってもよい。或いは、熱分解工程を乾燥工程用とは別の高温型ホットプレートで行い、結晶化工程をRTA装置で行ってもよい。
In the present embodiment, the thermal decomposition step and the crystallization step are performed by a common (one)
図3は、第1の実施の形態に係る強誘電体膜の成膜方法を示すフローチャートの例である。本実施の形態に係る強誘電体膜の形成に用いられる強誘電体材料としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛等のペロブスカイト構造系酸化物材料を選択できる。特に、極めて良好な強誘電性や圧電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTともいう。PbZrx Ti1−x O3 (xは0〜1の整数又は小数))等の鉛系ペロブスカイト構造の複合酸化物が好ましく選択できる。但し、ペロブスカイト構造以外の他の酸化物を選択することも可能である。 FIG. 3 is an example of a flowchart showing a method of forming a ferroelectric film according to the first embodiment. Examples of the ferroelectric material used for forming the ferroelectric film according to the present embodiment include perovskite structure oxidation such as barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, and lead lanthanum zirconate titanate. Material can be selected. In particular, lead perovskites such as lead zirconate titanate (hereinafter also referred to as PZT; PbZr x Ti 1-x O 3 (x is an integer of 0 to 1 or a decimal)) having extremely good ferroelectricity and piezoelectric properties. A complex oxide having a structure can be preferably selected. However, it is possible to select an oxide other than the perovskite structure.
本実施の形態に係る配向制御層の形成に用いられる強誘電体材料としては、上記の強誘電体膜の形成に用いられる強誘電体材料の中から適宜選択することができる。すなわち、本実施の形態に係る配向制御層の形成に用いられる強誘電体材料としては、強誘電体膜の形成に用いられる強誘電体材料と同じ結晶構造であり、かつ、構成元素の組成比が異なる強誘電体材料を選択することができる。 The ferroelectric material used for forming the orientation control layer according to the present embodiment can be appropriately selected from the ferroelectric materials used for forming the ferroelectric film. That is, the ferroelectric material used for forming the orientation control layer according to the present embodiment has the same crystal structure as that of the ferroelectric material used for forming the ferroelectric film, and the composition ratio of the constituent elements. Different ferroelectric materials can be selected.
本実施の形態では、強誘電体膜の材料として上記の中からPZTを採用し、配向制御層の材料としてPZTと同じ鉛系ペロブスカイト構造の酸化物で(100)配向しやすい正方晶系のチタン酸鉛(PT)を採用した場合を例にして、以下の説明を行う。なお、チタン酸鉛(PT)はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)と同じ結晶構造であり、かつ、構成元素の組成比が異なる(Zの組成比がゼロである)強誘電体材料である。 In the present embodiment, PZT is adopted from among the above as the material of the ferroelectric film, and tetragonal titanium that is easily (100) oriented with an oxide having the same lead-based perovskite structure as PZT as the material of the orientation control layer. The following description will be given by taking lead acid (PT) as an example. Lead titanate (PT) is a ferroelectric material having the same crystal structure as lead zirconate titanate (PZT) and having a different composition ratio of constituent elements (Z composition ratio is zero).
まず、図3のフローチャートのステップS21において、下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板19の下部電極上に配向制御層成膜用に合成された前駆体液(PT前駆体液)を塗布する。なお、前駆体液(PT前駆体液)は、所望される組成、かつ一度の成膜フローで成膜される膜厚が所望の厚みになるように濃度が調整されている。
First, in step S21 of the flowchart of FIG. 3, a precursor liquid (PT precursor liquid) synthesized for forming an orientation control layer is applied on the lower electrode of the
具体的には、自動成膜装置10の収納部材11に収納された下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12が取り出してアライナー13に投入し、アライナー13でシリコンウェハ基板19の位置決め及び芯出しがなされる。そして、アライナー13で位置決め及び芯出しがなされたシリコンウェハ基板19が搬送装置12によってスピナー塗布装置14に投入される。そして、スピナー塗布装置14で下部電極上に配向制御層成膜用に合成された前駆体液がスピンコートにより塗布され、前駆体液の塗膜が成膜される。
Specifically, the
なお、基板としてはシリコンウェハ基板が好ましく使用されるが、シリコンウェハ基板に代えて酸化マグネシウム、ステンレス、アルミナ、ガラス等からなる基板を用いることが可能である。基板の厚みについては特に制限はないが、強誘電体膜の成膜プロセスやその後の加工プロセスにおけるハンドリング性等を考慮して決定することが好ましい。 A silicon wafer substrate is preferably used as the substrate, but a substrate made of magnesium oxide, stainless steel, alumina, glass, or the like can be used instead of the silicon wafer substrate. The thickness of the substrate is not particularly limited, but is preferably determined in consideration of the film forming process of the ferroelectric film and handling properties in the subsequent processing process.
又、基板上(基板に絶縁層又は密着層を設けてある場合にはその上に)に金属又は金属酸化物の下部電極を設けるには、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレ−ティング等の公知の手法が採用される。下部電極の膜厚についても特に制限はないが、通常は0.05〜1μm程度、好ましくは0.1〜0.5μm程度である。 In addition, in order to provide a metal or metal oxide lower electrode on a substrate (if an insulating layer or an adhesion layer is provided on the substrate), a known method such as vacuum deposition, sputtering, or ion plating is used. Is adopted. Although there is no restriction | limiting in particular also about the film thickness of a lower electrode, Usually, about 0.05-1 micrometer, Preferably it is about 0.1-0.5 micrometer.
下部電極の材料としては、例えば、白金、金、イリジウム等の貴金属又はそれらの酸化物等を用いることができる。又、下部電極上に更にLNOやSRO等の酸化物電極を成膜したものを用いてもよい。なお、下部電極として特に好ましく使用されるのは、白金である。 As a material of the lower electrode, for example, a noble metal such as platinum, gold, iridium or an oxide thereof can be used. In addition, an oxide electrode such as LNO or SRO formed on the lower electrode may be used. Note that platinum is particularly preferably used as the lower electrode.
配向制御層は、強誘電体膜と同じ結晶構造であり、かつ、構成元素の組成比が異なる強誘電体材料を含んでいる。又、つまり、配向制御層に用いる材料として、その上に成膜する強誘電体膜を形成する(複合)酸化物と同じ結晶構造を有する酸化物で、強誘電体膜材料とは異なる組成比を有する酸化物材料を採用している。 The orientation control layer includes a ferroelectric material having the same crystal structure as that of the ferroelectric film and having a different composition ratio of constituent elements. In other words, the material used for the orientation control layer is an oxide having the same crystal structure as the (composite) oxide that forms the ferroelectric film formed thereon, and a composition ratio different from that of the ferroelectric film material. An oxide material having the following is employed.
又、配向制御層(結晶膜)は、CSD法で前駆体液を1回塗布して得られる塗膜を乾燥・熱分解・結晶化して得られる強誘電体膜(結晶膜)の1/3から1/2に相当する厚みとしている。すなわち、通例では5nm、最大でも10nm程度である配向制御層(結晶膜)の膜厚を、配向制御層を単独で結晶化させた場合で30〜50nm程度となる厚みとしている。 In addition, the orientation control layer (crystal film) is 1/3 of the ferroelectric film (crystal film) obtained by drying, pyrolysis and crystallization of the coating film obtained by applying the precursor liquid once by the CSD method. The thickness is equivalent to 1/2. That is, the thickness of the orientation control layer (crystal film), which is typically about 5 nm and at most about 10 nm, is set to a thickness of about 30 to 50 nm when the orientation control layer is crystallized alone.
次に、ステップS22において、下部電極上に成膜された配向制御層成膜用の前駆体液の塗膜の乾燥を行う。具体的には、下部電極上に配向制御層成膜用の前駆体液の塗膜が成膜されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12によってホットプレート15に投入し、ホットプレート15で前駆体液の塗膜の加熱・乾燥処理を行って配向制御層成膜用の前駆体乾燥膜を形成する。乾燥の温度は、例えば、100〜150℃程度とすることができる。
Next, in step S22, the coating film of the precursor liquid for forming the orientation control layer formed on the lower electrode is dried. Specifically, a
次に、ステップS23において、配向制御層成膜用の前駆体乾燥膜の熱分解(アモルファス膜の形成)を行う。具体的には、配向制御層成膜用の前駆体乾燥膜が形成されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12によってRTA装置16に投入し、RTA装置16で前駆体乾燥膜の加熱・熱分解処理を行い、下部電極上に配向制御層材料(PT)のアモルファス膜を形成する。熱分解の温度は、例えば、250〜500℃程度とすることができる。
Next, in step S23, thermal decomposition (formation of an amorphous film) of the precursor dry film for forming the orientation control layer is performed. Specifically, the
次に、ステップS24において、下部電極上に配向制御層材料のアモルファス膜が形成されたシリコンウェハ基板19を冷却ステージ17に移送し、室温になるまで冷却する。
Next, in step S24, the
次に、ステップS25において、配向制御層材料のアモルファス膜上に強誘電体膜の前駆体液(PZT前駆体液)を塗布する。なお、前駆体液(PZT前駆体液)は、所望される組成、かつ一度の成膜フローで成膜される膜厚が所望の厚みになるように濃度が調整されている。具体的には、配向制御層材料のアモルファス膜が形成されたシリコンウェハ基板19が冷却ステージ17からアライナー13を経由してスピナー塗布装置14に投入される。そして、スピナー塗布装置14で配向制御層材料のアモルファス膜上に強誘電体膜の前駆体液がスピンコートにより塗布され、前駆体液の塗膜が成膜される。
Next, in step S25, a ferroelectric film precursor liquid (PZT precursor liquid) is applied on the amorphous film of the orientation control layer material. Note that the concentration of the precursor liquid (PZT precursor liquid) is adjusted so that the desired composition and the thickness of the film formed in a single film formation flow become the desired thickness. Specifically, the
次に、ステップS26において、アモルファス膜上に成膜された強誘電体膜の前駆体液の塗膜の乾燥を行う。具体的には、アモルファス膜上に強誘電体膜の前駆体液の塗膜が成膜されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12によってホットプレート15に投入し、ホットプレート15で前駆体液の塗膜の加熱・乾燥処理を行って強誘電体膜の前駆体乾燥膜を形成する。乾燥の温度は、例えば、100〜150℃程度とすることができる。
Next, in step S26, the coating film of the precursor liquid of the ferroelectric film formed on the amorphous film is dried. Specifically, a
次に、ステップS27において、強誘電体膜の前駆体乾燥膜の熱分解(アモルファス膜の形成)を行う。具体的には、強誘電体膜の前駆体乾燥膜が形成されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12によってRTA装置16に投入する。そして、RTA装置16で前駆体乾燥膜の加熱・熱分解処理を行い、配向制御層材料(PT)のアモルファス膜上に強誘電体膜材料(PZT)のアモルファス膜が積層された積層アモルファス膜を形成する。熱分解の温度は、例えば、250〜500℃程度とすることができる。
Next, in step S27, pyrolysis (formation of an amorphous film) of the precursor dry film of the ferroelectric film is performed. Specifically, the
次に、ステップS28において、配向制御層材料のアモルファス膜上に強誘電体膜材料のアモルファス膜が積層されたシリコンウェハ基板19を冷却ステージ17に移送し、室温になるまで冷却する。
Next, in step S28, the
次に、ステップS29において、配向制御層材料のアモルファス膜上に強誘電体膜材料のアモルファス膜が積層された積層アモルファス膜の結晶化を行う。具体的には、積層アモルファス膜が形成されたシリコンウェハ基板19を搬送装置12によってRTA装置16に投入し、より高い温度で加熱する操作を連続して行い、積層アモルファス膜を結晶化する。
Next, in step S29, the laminated amorphous film in which the amorphous film of the ferroelectric film material is laminated on the amorphous film of the orientation control layer material is crystallized. Specifically, the
すなわち、下部電極上の配向制御層材料のアモルファス膜、更にその上に形成された強誘電体膜材料のアモルファス膜を同時に結晶化させる。これにより、配向制御層材料のアモルファス膜は配向制御層(結晶膜)となり、強誘電体膜材料のアモルファス膜は強誘電体膜(結晶膜)となる。結晶化の温度は、例えば、600〜750℃程度とすることができる。 That is, the amorphous film of the orientation control layer material on the lower electrode and the amorphous film of the ferroelectric film material formed thereon are simultaneously crystallized. Thereby, the amorphous film of the orientation control layer material becomes an orientation control layer (crystal film), and the amorphous film of the ferroelectric film material becomes a ferroelectric film (crystal film). The crystallization temperature can be, for example, about 600 to 750 ° C.
このように、第1の実施の形態では、アモルファスの配向制御層を、その上に積層されたアモルファスの強誘電体膜と同時に結晶化させるために、CSD法の手法を用いた。これは、CSD法では、成膜される膜の組成制御が容易なこと、成膜時にその熱分解及び結晶化を行う温度を適宜調整することによりその配向性を容易に制御可能となること、かつ一段階のプロセスで配向制御層を形成できること等の利点を有するからである。
次に、下部電極上に配向制御層(結晶膜)及び強誘電体膜(結晶膜)が積層されたシリコンウェハ基板19は、冷却ステージ17で再び室温まで冷却された後、図1に示す通例のCSD法によるプロセスフローに従って自動成膜装置10の内部を流動する。
As described above, in the first embodiment, the CSD method is used to crystallize the amorphous orientation control layer simultaneously with the amorphous ferroelectric film laminated thereon. This is because in the CSD method, the composition of the film to be formed can be easily controlled, and the orientation can be easily controlled by appropriately adjusting the temperature at which the thermal decomposition and crystallization are performed during the film formation. In addition, it is advantageous in that the orientation control layer can be formed by a one-step process.
Next, the
つまり、ステップS1に示した塗布工程からステップS4に示した冷却工程を所定回数(X回)繰り返す。そして、その後、ステップS5において、熱分解温度より高い第三の加熱温度(結晶化温度)までシリコンウェハ基板19上に成膜されたアモルファス膜を加熱して結晶化を行い、強誘電体特性を有する酸化物結晶膜を形成する(結晶化工程)。次に、ステップS6において、酸化物結晶膜を冷却する(冷却工程)。
That is, the cooling process shown in step S4 is repeated a predetermined number of times (X times) from the coating process shown in step S1. Then, in step S5, the amorphous film formed on the
続いて、ステップS1からステップS4を所定回数(X回)繰り返した後にステップS5及びS6を行う工程を所定回数(Y回)繰り返すことによって、酸化物結晶膜を積層し、所望の厚みを持った強誘電体膜をシリコンウェハ基板19上に形成する。
Subsequently, after repeating steps S1 to S4 a predetermined number of times (X times) and then repeating steps S5 and S6 a predetermined number of times (Y times), an oxide crystal film is stacked and has a desired thickness. A ferroelectric film is formed on the
そして、得られたシリコンウェハ基板19上の強誘電体膜に上部電極となる導電膜を成膜する。上部電極は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレ−ティング等の公知の手法で成膜できる。上部電極の膜厚については特に制限はないが、例えば、0.05〜1μm程度、好ましくは0.1〜0.5μm程度である。
Then, a conductive film to be an upper electrode is formed on the ferroelectric film on the obtained
更に、上部電極が成膜された強誘電体膜を後加工プロセス(フォトリソ・エッチング等の微細加工プロセス)に投入することで、センサ、圧電素子等の各種電子素子に加工できる。本実施の形態に係る成膜方法で成膜された強誘電体膜を加工して得られた各種電子素子の性能は、強誘電体膜が要求される特性が最も良好になる結晶方位(配向制御層と同じ結晶方位)に優先配向されているため、良好な性能を発揮できる。 Furthermore, by putting the ferroelectric film on which the upper electrode is formed into a post-processing process (a fine processing process such as photolithography / etching), it can be processed into various electronic elements such as sensors and piezoelectric elements. The performance of various electronic devices obtained by processing the ferroelectric film formed by the film forming method according to the present embodiment is the crystal orientation (orientation) in which the characteristics required for the ferroelectric film are the best. Since it is preferentially oriented in the same crystal orientation as that of the control layer, good performance can be exhibited.
ここで、第1の実施の形態に係る成膜方法の有する特有の効果について更に詳しく説明する。前述のように、下部電極上に配向制御層を成膜し、その上に複合酸化物結晶の強誘電体膜を成膜する手法においては、強誘電体膜の膜厚が厚くなるに従って、得られる強誘電体膜を形成する酸化物結晶の配向性が低下する問題があった。これについて詳しく説明する。 Here, the specific effect of the film forming method according to the first embodiment will be described in more detail. As described above, in the method of forming the orientation control layer on the lower electrode and forming the ferroelectric film of the composite oxide crystal on the lower electrode, as the thickness of the ferroelectric film increases, There is a problem that the orientation of the oxide crystal forming the ferroelectric film is lowered. This will be described in detail.
圧電素子等のデバイス特性は、強誘電体膜を形成する(複合)酸化物結晶の結晶方位がある方向に揃っている(単一配向)と、良好なデバイス特性を示すことが知られている。但し、誘電性、焦電性、圧電性、強誘電性、電気光学性等、要求されるデバイスの特性によって、良好な特性を示す結晶方位は異なる。 It is known that device characteristics such as piezoelectric elements exhibit good device characteristics when the crystal orientation of the (composite) oxide crystal forming the ferroelectric film is aligned in a certain direction (single orientation). . However, crystal orientations exhibiting good characteristics differ depending on required device characteristics such as dielectricity, pyroelectricity, piezoelectricity, ferroelectricity, and electro-optical properties.
又、強誘電体膜の形成プロセスの結晶化工程を経ることで得られる酸化物結晶は、膜中で個々の結晶が秩序なく配列して全く配向性がない、或いは酸化物結晶膜が積層される下の層が有する結晶配向性に倣って同様の配向性を示すかの何れかになることが通例である。 In addition, the oxide crystal obtained through the crystallization process of the formation process of the ferroelectric film has no orientation because the individual crystals are arranged in an orderly manner in the film, or the oxide crystal film is laminated. It is customary that either the same orientation is exhibited following the crystal orientation of the underlying layer.
そこで、良好なデバイス特性を示す、結晶方位がある特定の方位に配向した(複合)酸化物結晶からなる強誘電体膜を得ようとする際には、以下のようにすればよい。すなわち、狙いとする結晶方位に配向し、かつ強誘電体膜を形成する酸化物結晶膜の格子定数と近い格子定数を有する下部電極(結晶)膜をシリコンウェハ基板上に成膜し、その上に図1に示したCSD法の手法に従って強誘電体膜を成膜すればよい。但し、強誘電体膜の配向が、狙い通りに下部電極と同じ結晶方位に揃うようにするには、更に前駆体液の塗布・乾燥・熱分解・結晶化の各工程の条件を詳細に詰める必要がある。 In order to obtain a ferroelectric film composed of a (composite) oxide crystal that exhibits good device characteristics and has a crystal orientation oriented in a specific orientation, the following may be performed. That is, a lower electrode (crystal) film oriented on the target crystal orientation and having a lattice constant close to the lattice constant of the oxide crystal film forming the ferroelectric film is formed on the silicon wafer substrate. A ferroelectric film may be formed according to the CSD method shown in FIG. However, in order to align the ferroelectric film in the same crystal orientation as the lower electrode as intended, it is necessary to further elaborate the conditions for each step of coating, drying, pyrolysis, and crystallization of the precursor liquid. There is.
しかし、図1に示したCSD法は、加工物を繰り返し高温環境下に晒す工法であるため、下部電極として選択可能な材料の種類に限りがあり(主に貴金属とその酸化物材料)、必ず狙いの結晶方位に配向性を有する下部電極を採用できるとは限らない。例えば、CSD法の下部電極として広く採用される白金は、(111)配向性が非常に強く、これを(100)配向(強誘電体膜の圧電性を高める)に変えることは、極めて困難である。 However, since the CSD method shown in FIG. 1 is a method in which a workpiece is repeatedly exposed to a high temperature environment, the types of materials that can be selected as the lower electrode are limited (mainly noble metals and their oxide materials). It is not always possible to employ a lower electrode having an orientation in a target crystal orientation. For example, platinum widely used as the lower electrode of the CSD method has a very strong (111) orientation, and it is extremely difficult to change this to a (100) orientation (which increases the piezoelectricity of the ferroelectric film). is there.
そこで、白金を採用した下部電極上に(100)配向の強誘電体膜を形成させるために、白金の配向性とは関係なく(100)配向しやすい性質を有し、かつ強誘電体膜を形成する(複合)酸化物結晶と近い格子定数を有する配向制御層を設ける。そして、この配向制御層の上に強誘電体膜を成膜する手法が採用されている。 Therefore, in order to form a (100) -oriented ferroelectric film on the lower electrode employing platinum, it has the property of being easily (100) -oriented regardless of the orientation of platinum, and a ferroelectric film is formed. An orientation control layer having a lattice constant close to that of the (composite) oxide crystal to be formed is provided. A method of forming a ferroelectric film on the orientation control layer is employed.
しかし、今までの下部電極上に成膜した配向制御層の上にCSD法で強誘電体膜を設ける手法では、配向制御層を結晶化した上に強誘電体膜を形成する酸化物結晶膜を積層成膜する手法を採用している。そのため、下部電極と配向制御層の界面における結晶格子のミスマッチの存在とそれに起因する歪・応力の発生を避けることができなかった。 However, in the conventional method of providing a ferroelectric film on the orientation control layer formed on the lower electrode by the CSD method, an oxide crystal film that forms a ferroelectric film after crystallizing the orientation control layer A method of laminating a film is employed. Therefore, the existence of crystal lattice mismatch at the interface between the lower electrode and the orientation control layer, and the generation of strain and stress due to the mismatch cannot be avoided.
図4(a)は、一般的な結晶格子を示している。図4(a)に示す結晶格子200のように、原子201同士が強い力で互いに規則的な結合(202は、原子201間の結合を示している)をすると、「結晶」とよばれる固体の状態を形成する。結晶状態では、原子201が一定の間隔で配列し、互いに強い力で結びついている。
FIG. 4A shows a general crystal lattice. As in the
なお、結晶格子200において、原子201と原子201の間隔は「原子間距離」或いは「格子定数」と称される。「原子間距離」或いは「格子定数」は、結晶を作っている元素や化合物の組成によってそれぞれ決まる固有の値になる。すなわち、結晶格子の格子定数は化合物の組成によって異なる。
In the
例えば、図4(b)に示すように、配向制御層210上に強誘電体膜220を成膜する場合、配向制御層210(結晶膜)の上に、配向制御層210とは化合物の組成が異なるために異なる格子定数を有する強誘電体膜220(結晶膜)を成膜することになる。そのため、両者の界面を境として、異なる原子間距離(格子定数)の結晶膜(配向制御層210と強誘電体膜220)が接し、かつ結合することになる。これを結晶格子(格子定数)のミスマッチと称する。なお、図4(b)において、Aは配向制御層210の原子間距離(格子定数)、Bは強誘電体膜220の原子間距離(格子定数)を示している。
For example, as shown in FIG. 4B, when the
図5(a)に示すように、結晶格子の格子定数が異なる層間における原子と原子の結合は、ちょうど良い配列になった原子間で強い結合が生じ、そうでない原子間では、それなりの弱い結合をすることになる。しかし、図5(a)に示すような層間の結合状態では、結合力が弱くなり、その界面で剥離したり、クラックが入ったりして非常に具合が悪い状態になる。 As shown in FIG. 5 (a), the bonds between atoms having different lattice constants of crystal lattices cause a strong bond between atoms in the right arrangement, and a weak bond between atoms that are not so. Will do. However, in the bonding state between the layers as shown in FIG. 5 (a), the bonding force becomes weak, and peeling occurs at the interface or cracks occur, resulting in a very poor state.
そこで、図5(b)に示すように、通常は下層の配向制御層210(結晶膜)を成膜した後、上層の強誘電体膜220(結晶膜)の成膜条件を工夫することによって、強い上下の層間結合状態を有する結晶膜を作製する。具体的には、界面付近の強誘電体膜220(結晶膜)の格子定数を、既にでき上がっている下層の配向制御層210(結晶膜)の格子定数に無理やり合わせることによって、強い上下の層間結合状態を有する結晶膜を作製する。 Therefore, as shown in FIG. 5B, normally, after forming the lower orientation control layer 210 (crystal film), the film formation conditions of the upper ferroelectric film 220 (crystal film) are devised. A crystal film having a strong upper and lower interlayer bonding state is produced. Specifically, by strongly combining the lattice constant of the ferroelectric film 220 (crystal film) near the interface with the lattice constant of the already formed lower orientation control layer 210 (crystal film), strong upper and lower interlayer coupling A crystalline film having a state is produced.
その結果、上下の層間結合は強力になって、層間剥離やクラックの発生といった不具合は解消される。一方、後から成膜した上層の強誘電体膜220(結晶膜)の内部では、界面近傍にある原子の原子間距離を下層の配向制御層210(結晶膜)の原子間距離に合わせて本来あるべき固有の間隔より狭く配列させたため、圧縮応力が発生する(図5(b)の矢印)。これが、結晶格子ミスマッチに起因する圧縮応力である。但し、下層の結晶膜の格子定数が上層の結晶膜の格子定数より大きい場合には、上層の結晶膜中には結晶格子ミスマッチによる引っ張り応力が発生する。 As a result, the upper and lower interlayer bonds become strong, and problems such as delamination and generation of cracks are eliminated. On the other hand, in the upper ferroelectric film 220 (crystal film) formed later, the interatomic distance of atoms in the vicinity of the interface is matched with the interatomic distance of the lower orientation control layer 210 (crystal film). Since they are arranged narrower than they should be, the compressive stress is generated (arrow in FIG. 5B). This is the compressive stress due to crystal lattice mismatch. However, when the lattice constant of the lower crystal film is larger than the lattice constant of the upper crystal film, tensile stress due to crystal lattice mismatch is generated in the upper crystal film.
このように、従来の手法では、配向制御層と強誘電体膜の界面における歪や応力の増大或いは同界面における結晶格子のミスマッチの存在とそれによる新たな歪や応力の発生を避けることができなかった。又、強誘電体膜を積層するに従って増大する歪や応力による結晶配向性の低下を避けることができなかった。 Thus, with the conventional method, it is possible to avoid an increase in strain and stress at the interface between the orientation control layer and the ferroelectric film, or the presence of a crystal lattice mismatch at the interface and the generation of new strain and stress. There wasn't. In addition, a decrease in crystal orientation due to strain and stress that increases as the ferroelectric films are stacked cannot be avoided.
そこで、本実施の形態に係る成膜方法では、既にでき上がっている下層の配向制御層(結晶膜)の上に上層の強誘電体膜(結晶膜)を成膜するのでなく、両者を同時に結晶化させる。これにより、両層界面において結晶化プロセス中にそれぞれの原子の相互拡散を起こさせて、界面近傍の化学組成を配向制御層の組成から強誘電体膜の組成に徐々に変化させる(格子定数を徐々に変化させる)。 Therefore, in the film forming method according to the present embodiment, the upper ferroelectric film (crystal film) is not formed on the already formed lower alignment control layer (crystal film), but both are crystallized simultaneously. Make it. This causes interdiffusion of each atom during the crystallization process at the interface between both layers, and gradually changes the chemical composition in the vicinity of the interface from the composition of the orientation control layer to the composition of the ferroelectric film (the lattice constant is changed). Gradually change).
すなわち、下部電極上の非晶質の配向制御層材料と、非晶質の配向制御層と接するように形成された非晶質の強誘電体膜材料を同時に結晶化する際、それぞれが有する原子の相互拡散が生じる。その際、結晶化された配向制御層は結晶化された強誘電体膜と同じ結晶構造を有する(複合)酸化物材料である。 That is, when simultaneously crystallizing the amorphous orientation control layer material on the lower electrode and the amorphous ferroelectric film material formed so as to be in contact with the amorphous orientation control layer, each atom has Interdiffusion occurs. At that time, the crystallized orientation control layer is a (composite) oxide material having the same crystal structure as that of the crystallized ferroelectric film.
そのため、結晶化された配向制御層と結晶化された強誘電体膜との界面を含む下部電極と接している部分の配向制御層の材料の組成から、強誘電体膜の上部の材料の組成まで、酸化物材料の組成比(構成元素の組成比)が連続的に変化する。そして、配向制御層と強誘電体膜との間の界面は不明確となって両者は一体化する。更に、一体化した配向制御層と強誘電体膜の内部では、酸化物材料の組成比(構成元素の組成比)が連続的に変化すると同時に、結晶格子定数が組成変化に合わせて連続的に変化する。 Therefore, from the composition of the material of the orientation control layer in contact with the lower electrode including the interface between the crystallized orientation control layer and the crystallized ferroelectric film, the composition of the material above the ferroelectric film Until then, the composition ratio of the oxide material (composition ratio of the constituent elements) changes continuously. Then, the interface between the orientation control layer and the ferroelectric film becomes unclear and they are integrated. Further, in the integrated orientation control layer and the ferroelectric film, the composition ratio of the oxide material (composition ratio of the constituent elements) changes continuously, and at the same time, the crystal lattice constant continuously changes according to the composition change. Change.
これにより、層間界面における結晶格子ミスマッチに起因する圧縮応力を強誘電体膜中に発生させることを回避できる。すなわち、通例の手法では配向制御層と強誘電体膜との界面で格子定数のミスマッチが存在することで生じる歪や応力の発生がなくなる。又、下部電極と配向制御層との界面で格子定数のミスマッチが存在することで生じた歪や応力が内部の結晶格子定数の連続変化によって緩和される。 Thereby, it is possible to avoid generating a compressive stress in the ferroelectric film due to a crystal lattice mismatch at the interlayer interface. That is, in the usual method, the generation of strain and stress caused by the lattice constant mismatch at the interface between the orientation control layer and the ferroelectric film is eliminated. In addition, the strain and stress caused by the mismatch of the lattice constant at the interface between the lower electrode and the orientation control layer are alleviated by the continuous change of the internal crystal lattice constant.
その結果、一体化した配向制御層と最下層の強誘電体膜の上に、更に強誘電体膜を積層して圧電素子への応用を意図した厚めの強誘電体膜を得ようとする場合においても、良好な結果が得られる。具体的には、結晶配向を揃える働きを阻害する歪・応力の発生が回避されているため、良好な結晶配向性と圧電特性を有する強誘電体膜を成膜できる。 As a result, when a ferroelectric film is laminated on the integrated orientation control layer and the lowermost ferroelectric film to obtain a thicker ferroelectric film intended for application to piezoelectric elements. Also good results can be obtained. Specifically, since the generation of strain and stress that hinders the function of aligning crystal orientation is avoided, a ferroelectric film having good crystal orientation and piezoelectric characteristics can be formed.
又、前述のように、本実施の形態に係る成膜方法で得られる強誘電体膜は、配向制御層と強誘電体膜が一体化しているとともに、配向制御層と下部電極界面における歪・応力が緩和された状態にある。そのため、各界面における密着性が強くなり、圧電素子の応用に用いられるデバイスに求められる機械的強度を高めることができる。 In addition, as described above, the ferroelectric film obtained by the film forming method according to the present embodiment has the alignment control layer and the ferroelectric film integrated together, as well as strain and The stress is in a relaxed state. Therefore, the adhesiveness at each interface becomes strong, and the mechanical strength required for the device used for the application of the piezoelectric element can be increased.
なお、配向制御層材料と強誘電体材料を同一にした従来技術(例えば、特許文献1参照)によっても、両者界面における結晶格子のミスマッチを解消し、同部で生じる歪や応力を緩和できる。しかし、この技術では、下部電極と配向制御層界面で生じた歪や応力を緩和する効果は得られない。 Note that the conventional technique (for example, see Patent Document 1) in which the orientation control layer material and the ferroelectric material are the same can also eliminate the mismatch of crystal lattices at the interface between them and relax the strain and stress generated in the same part. However, this technique cannot provide an effect of relaxing strain and stress generated at the interface between the lower electrode and the orientation control layer.
又、配向制御層の膜厚を通例と同じ4又は5nm程度とし、未結晶化・配向性のない状態の配向制御層を、その上に接した強誘電体膜と同時に結晶化する従来技術(例えば、特許文献2参照)では、配向制御効果がないことが報告されている。このような結果となった理由は、配向制御層の膜厚が通例と同じ4又は5nm程度しかない条件では、配向制御層材料が結晶化プロセス中に全て強誘電体膜に拡散し、配向制御の働きを示す配向制御層が消失したためと考察できる。 In addition, the conventional technique for crystallizing the orientation control layer in the non-crystallized / non-oriented state at the same time as the ferroelectric film in contact therewith (4 or 5 nm as usual) For example, Patent Document 2) reports that there is no orientation control effect. The reason for this result is that under the condition that the film thickness of the alignment control layer is only about 4 or 5 nm as usual, the alignment control layer material is all diffused into the ferroelectric film during the crystallization process, and the alignment control is performed. It can be considered that the orientation control layer showing the function of has disappeared.
本実施の形態に係る成膜方法では、配向制御層の厚みを、配向制御層の上に直接積層され同時に結晶化が行われる強誘電体膜厚みの1/3から1/2(約30〜50nm)と、通例より厚めにしている。そのため、結晶化プロセス中に配向制御層材料の相互拡散と界面を中心とした組成の連続変化が生じた後にも、十分な配向制御効果を有する厚みの配向制御層が下部電極上に成膜される。その結果、良好な配向制御効果が得られる。 In the film forming method according to the present embodiment, the thickness of the orientation control layer is set to 1/3 to 1/2 of the thickness of the ferroelectric film directly stacked on the orientation control layer and simultaneously crystallized (about 30 to 50 nm), which is thicker than usual. For this reason, an orientation control layer having a sufficient thickness control effect is formed on the lower electrode even after the interdiffusion of the orientation control layer material and a continuous change in the composition centering on the interface occur during the crystallization process. The As a result, a good alignment control effect can be obtained.
このように、第1の実施の形態に係る成膜方法では、一部の材料が同じである配向制御層と強誘電体膜の結晶化プロセスを同時に行う。これにより、配向制御層結晶と強誘電体膜結晶の界面における結晶の格子定数が連続的に変化(配向制御層結晶の格子定数から強誘電体膜結晶の格子定数へ)する。その結果、配向制御層とそれに接する上層の強誘電体膜を個別に結晶化する従来の方法に比べて、結晶格子ミスマッチに起因する圧縮応力をなくすことができ、内部応力のない強誘電体膜を成膜できる。 As described above, in the film forming method according to the first embodiment, the crystallization process of the orientation control layer and the ferroelectric film, which are partially the same material, is simultaneously performed. As a result, the lattice constant of the crystal at the interface between the orientation control layer crystal and the ferroelectric film crystal changes continuously (from the lattice constant of the orientation control layer crystal to the lattice constant of the ferroelectric film crystal). As a result, compared to the conventional method of individually crystallizing the orientation control layer and the upper ferroelectric film in contact therewith, it is possible to eliminate the compressive stress caused by crystal lattice mismatch, and there is no internal stress. Can be formed.
又、本実施の形態に係る成膜方法では、配向制御層を、それに接する上層の強誘電体膜の厚みの1/3から1/2(約30〜50nm)と、通例より厚めにしている。これにより、配向制御層と強誘電体膜の界面が不明確になっても、配向制御層と強誘電体膜の積層膜の下層部分(下部電極と接している近傍)には配向制御層が存在している。言い換えれば、積層膜の下層部分に配向制御層となる材料が存在するように結晶化プロセスを行っている。 Further, in the film forming method according to the present embodiment, the orientation control layer is made thicker than usual, from 1/3 to 1/2 (about 30 to 50 nm) of the thickness of the upper ferroelectric film in contact therewith. . As a result, even if the interface between the orientation control layer and the ferroelectric film becomes unclear, the orientation control layer is not formed in the lower layer portion (the vicinity in contact with the lower electrode) of the laminated film of the orientation control layer and the ferroelectric film. Existing. In other words, the crystallization process is performed so that the material that becomes the orientation control layer exists in the lower layer portion of the laminated film.
そのため、積層膜の下層部分に存在している配向制御層が強誘電体膜の結晶配向制御の働きを維持できる。すなわち、従来のように、配向制御層となる前駆体液の塗膜の厚みを薄くして配向制御層が強誘電体膜と一体化すると、配向制御層の存在そのものが明確にならず、同時に配向制御の働きが消失する。一方、本実施の形態では、このような問題(配向制御の働きの消失)を回避できる。なお、本実施の形態に係る配向制御層は、強誘電体としての性質を有しており、強誘電体膜の性質を示す部分と配向制御層としての性質を示す部分との界面は明確ではない。 Therefore, the orientation control layer existing in the lower layer portion of the laminated film can maintain the function of controlling the crystal orientation of the ferroelectric film. That is, when the thickness of the precursor liquid coating film that becomes the orientation control layer is reduced and the orientation control layer is integrated with the ferroelectric film as in the conventional case, the presence of the orientation control layer itself is not clarified, and the orientation control layer is aligned at the same time. The control function is lost. On the other hand, in this embodiment, such a problem (disappearance of the function of orientation control) can be avoided. Note that the orientation control layer according to the present embodiment has a property as a ferroelectric, and the interface between the portion showing the property of the ferroelectric film and the portion showing the property as the orientation control layer is not clear. Absent.
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に係る成膜方法で成膜された強誘電体膜を備えた電子素子の一例である電気機械変換素子を用いた液滴吐出ヘッドについて例示する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, a droplet discharge head using an electromechanical conversion element, which is an example of an electronic element having a ferroelectric film formed by the film forming method according to the first embodiment, is illustrated. To do.
図6は、電気機械変換素子を用いた液滴吐出ヘッドを例示する断面図である。図6を参照するに、液滴吐出ヘッド30は、ノズル板31と、圧力室基板34と、振動板35と、電気機械変換素子40とを有する。ノズル板31には、インク滴を吐出するノズル32が形成されている。ノズル板31、圧力室基板34、及び振動板35により、ノズル32に連通する圧力室33(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある)が形成されている。振動板35は、インク流路の壁面の一部を形成している。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a droplet discharge head using an electromechanical transducer. Referring to FIG. 6, the
電気機械変換素子40は、密着層41と、下部電極42と、電気機械変換膜43と、上部電極44とを含んで構成され、圧力室33内のインクを加圧する機能を有する。密着層41は、例えばTi、TiO2、TiN、Ta、Ta2O5、Ta3N5等からなる層であり、下部電極42と振動板35との密着性を向上する機能を有する。但し、密着層41は、電気機械変換素子40の必須の構成要素ではない。
The
電気機械変換膜43は、第1の実施の形態で説明した強誘電体膜の代表的な一例である。電気機械変換膜43は、例えばPZTを用いて、第1の実施の形態に係る成膜方法で成膜されたものである。そのため、電気機械変換膜43は、良好な圧電性を発現する(100)優先配向をしているため、良好な圧電特性を発現している。
The
電気機械変換素子40において、下部電極42と上部電極44との間に電圧が印加されると、電気機械変換膜43が機械的に変位する。電気機械変換膜43の機械的変位にともなって、シリコン等からなる振動板35が例えば横方向(d31方向)に変形変位し、圧力室33内のインクを加圧する。これにより、ノズル32からインク滴を吐出させることができる。
In the
なお、図7に示すように、液滴吐出ヘッド30を複数個並設し、液滴吐出ヘッド50を構成することもできる。
As shown in FIG. 7, a plurality of droplet discharge heads 30 can be arranged in parallel to form a
本実施の形態では、電気機械変換素子40を液滴吐出ヘッド30又は50の構成部品として用いる例を示した。しかし、電気機械変換素子40は、例えば、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクター用2軸スキャナ、輸液ポンプ等の構成部品として用いてもよい。
In the present embodiment, an example in which the
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、応用例として、液滴吐出ヘッド50(図7参照)を備えた液滴吐出装置の一例としてインクジェット記録装置を例示する。図8は、第3の実施の形態に係るインクジェット記録装置を例示する斜視図である。図9は、第3の実施の形態に係るインクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, as an application example, an ink jet recording apparatus is illustrated as an example of a liquid droplet ejection apparatus provided with a liquid droplet ejection head 50 (see FIG. 7). FIG. 8 is a perspective view illustrating an ink jet recording apparatus according to the third embodiment. FIG. 9 is a side view illustrating the mechanism unit of the ink jet recording apparatus according to the third embodiment.
図8及び図9を参照するに、インクジェット記録装置60は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ93、キャリッジ93に搭載した液滴吐出ヘッド50の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド94を収納する。又、インクジェット記録装置60は、インクジェット記録ヘッド94へインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納する。
Referring to FIGS. 8 and 9, an
記録装置本体81の下方部には、多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット84(或いは給紙トレイでもよい)を抜き差し自在に装着することができる。又、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができる。給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
A paper feed cassette 84 (or a paper feed tray) on which a large number of
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持する。キャリッジ93には、インクジェット記録ヘッド94を、複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、インクジェット記録ヘッド94は、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する。又、キャリッジ93は、インクジェット記録ヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。
The
インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する図示しない大気口、下方にはインクジェット記録ヘッド94へインクを供給する図示しない供給口を、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有している。多孔質体の毛管力によりインクジェット記録ヘッド94へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。又、インクジェット記録ヘッド94としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドを用いてもよい。
The
キャリッジ93は、用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。タイミングベルト100は、キャリッジ93に固定されている。
The
又、インクジェット記録装置60には、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101、フリクションパッド102、用紙83を案内するガイド部材103、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104を設けている。更に、インクジェット記録装置60には、搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105、搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106を設けている。これにより、給紙カセット84にセットした用紙83を、インクジェット記録ヘッド94の下方側に搬送される。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。
Further, the
用紙ガイド部材である印写受け部材109は、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83をインクジェット記録ヘッド94の下方側で案内する。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設けている。更に、用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。
The printing receiving member 109 which is a paper guide member guides the
画像記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じてインクジェット記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。
During image recording, the
キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェット記録ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を有する。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有する。キャリッジ93は、印字待機中に回復装置117側に移動されてキャッピング手段でインクジェット記録ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。又、記録途中等に、記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
A
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェット記録ヘッド94の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。又、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。更に、吸引されたインクは、本体下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
When ejection failure occurs, the ejection port of the ink
このように、インクジェット記録装置60は、液滴吐出ヘッド50の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド94を搭載している。液滴吐出ヘッド50は、良好な圧電性を発現する(100)優先配向をしており良好な圧電特性を発現する電気機械変換膜43を備えているため、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上できる。なお、インクジェット記録装置60は、本発明に係る電子機器の代表的な一例である。
As described above, the ink
〈実施例〉
本実施例では、下部電極(白金)上にPT(チタン酸鉛)を用いた配向制御層が成膜されたシリコンウェハ基板を用い、配向制御層上に、圧電性に最も良好な特性を発現する(100)優先配向した強誘電体膜を成膜する例について説明する。なお、強誘電体膜としては、良好な強誘電特性及び圧電特性を有するPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を用いた。
<Example>
In this example, a silicon wafer substrate in which an orientation control layer using PT (lead titanate) is formed on the lower electrode (platinum) is used, and the best piezoelectric property is exhibited on the orientation control layer. An example of forming a (100) preferentially oriented ferroelectric film will be described. As the ferroelectric film, PZT (lead zirconate titanate) having good ferroelectric characteristics and piezoelectric characteristics was used.
[前駆体液の合成]
まず、CSD法にてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)強誘電体膜を成膜するPZT前駆体液と、PT(チタン酸鉛)配向制御層を成膜するPT前駆体液を準備した。出発材料としては、酢酸鉛三水和物Pb(CH3COO)2・3H2O、ジルコニウムテトラノルマルプロポキシドZr(OCH2CH2CH3)4、チタニウムテトライソプロポキシドTi[OCH(CH3)2]4を用いた。
[Synthesis of precursor liquid]
First, a PZT precursor liquid for forming a PZT (lead zirconate titanate) ferroelectric film by a CSD method and a PT precursor liquid for forming a PT (lead titanate) orientation control layer were prepared. Starting materials include lead acetate trihydrate Pb (CH 3 COO) 2 .3H 2 O, zirconium tetranormal propoxide Zr (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , titanium tetraisopropoxide Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 was used.
PZT前駆体液の合成に際し、Pb(Zr0.53Ti0.47)O3、一般的にはPZT(53/47)と示され、特に良好な圧電特性を現すジルコン酸チタン酸鉛の化学量論組成に対し、鉛量が10mol%過剰になる組成となるように出発材料を秤量した。すなわち、Pb1.10(Zr0.53Ti0.47)O3となるように出発材料を秤量した。これは、塗布された前駆体液の塗膜の加熱処理中に発生する、いわゆる「鉛抜け」による結晶性低下を防ぐためである。 In synthesizing PZT precursor liquid, Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 , generally indicated as PZT (53/47), the stoichiometric amount of lead zirconate titanate that exhibits particularly good piezoelectric properties The starting material was weighed so that the lead content was 10 mol% excess relative to the theoretical composition. That is, the starting material was weighed so as to be Pb 1.10 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 . This is to prevent the deterioration of crystallinity caused by so-called “lead loss” that occurs during the heat treatment of the coating film of the applied precursor liquid.
又、同様にPT前駆体液を合成する際の出発材料の秤量においても、加熱処理中の「鉛抜け」による結晶性低下に配慮し、鉛量が10mol%過剰になる組成、すなわちPb1.10TiO3となるように前記出発材料を秤量した。 Similarly, in the weighing of the starting material when synthesizing the PT precursor solution, in consideration of a decrease in crystallinity due to “lead loss” during the heat treatment, a composition in which the lead amount is excessive by 10 mol%, that is, Pb 1.10. The starting material was weighed so as to be TiO 3 .
秤量後の前駆体液合成プロセスについては、PZT前駆体液、PT前駆体液それぞれ別の独立した合成装置にて行うが、合成プロセスの流れについては、ほぼ同様である。以下、PZT前駆体液を中心にその合成プロセスの流れを記載する。 The precursor liquid synthesis process after the weighing is performed by separate independent synthesis apparatuses for the PZT precursor liquid and the PT precursor liquid, but the flow of the synthesis process is almost the same. Hereinafter, the flow of the synthesis process will be described focusing on the PZT precursor liquid.
出発材料の秤量後、まず酢酸鉛三水和物を2−メトキシエタノールCH3OCH2CH2OHに溶解した後、溶媒の沸点(125℃)以上の溶液温度で18時間加熱・還流し、結晶水の脱水と副生成物の除去及び鉛アルコキシド化合物の生成を行った。 After weighing the starting material, first lead acetate trihydrate was dissolved in 2 -methoxyethanol CH 3 OCH 2 CH 2 OH, and then heated and refluxed at a solution temperature not lower than the boiling point (125 ° C.) of the solvent for 18 hours. Water dehydration, removal of by-products, and production of lead alkoxide compounds were performed.
続いて脱水、アルコキシド化合物生成を行った前記鉛化合物の2−メトキシエタノール溶液に対し、ジルコニウムテトラノルマルプロポキシド及びチタニウムテトライソプロポキシドを投入した(PT前駆体液ではチタニウムテトライソプロポキシドのみ)。そして、この溶液を加熱・還流し、アルコール交換反応、エステル化反応(重縮合反応)を進行させるとともに、副生成物のエステルを除去した。溶媒沸点に達した後の保持時間は18時間とした。 Subsequently, zirconium tetranormal propoxide and titanium tetraisopropoxide were added to the 2-methoxyethanol solution of the lead compound subjected to dehydration and alkoxide compound generation (in the PT precursor solution, only titanium tetraisopropoxide). Then, this solution was heated and refluxed to advance an alcohol exchange reaction and an esterification reaction (polycondensation reaction), and the by-product ester was removed. The retention time after reaching the solvent boiling point was 18 hours.
最後に前駆体液中のPZT濃度が0.5mol/l(PT前駆体液中のPT濃度は0.3mol/l)となるように溶媒を追加、濃度調整を行うとともに、安定剤として2.5vol%相当の酢酸CH3COOHを添加してPZT前駆体液とした。 Finally, a solvent is added so that the PZT concentration in the precursor liquid is 0.5 mol / l (PT concentration in the PT precursor liquid is 0.3 mol / l), the concentration is adjusted, and 2.5 vol% as a stabilizer. Appropriate acetic acid CH 3 COOH was added to obtain a PZT precursor solution.
[PT配向制御層とPZT強誘電体膜の一体膜の成膜]
強誘電体膜を成膜する基板として、シリコンウェハ基板151上に密着層152としてTi層 (膜厚50nm)を形成し、密着層152を介して下部電極153として白金膜(膜厚160nm)をスパッタリング法にて成膜した。そして、図3のフローチャートに示したフローに従って、PT配向制御層材料のアモルファス膜154とPZT強誘電体膜材料のアモルファス膜155を含む積層アモルファス膜を下部電極153上に形成した(図10(a))。なお、白金膜である下部電極153は、図12(a)に示すように、(111)方向の強い結晶配向性を有している。
[Formation of integrated film of PT orientation control layer and PZT ferroelectric film]
As a substrate on which a ferroelectric film is formed, a Ti layer (film thickness: 50 nm) is formed as an
具体的には、図2に示す自動成膜装置10の収納部材11に収納された下部電極153が成膜されたシリコンウェハ基板151を搬送装置12が取り出してアライナー13に投入し、アライナー13でシリコンウェハ基板151の位置決め及び芯出しを行った。そして、アライナー13で位置決め及び芯出しがなされたシリコンウェハ基板151を搬送装置12によってスピナー塗布装置14に投入した。そして、準備したPT前駆体液を滴下しながら、スピナー塗布装置14によってシリコンウェハ基板151を最大3000rpmで回転させてPT前駆体液の塗膜を下部電極153上に形成した(塗布工程)。
Specifically, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12によってホットプレート15に投入し、ホットプレート15で前駆体液の塗膜の加熱・乾燥処理を行って配向制御層成膜用の前駆体乾燥膜を形成した。具体的には、主溶媒の沸点より高い140℃に加熱されたホットプレート15に1分間投入し、下部電極153上に配向制御層成膜用の前駆体乾燥膜を形成した(乾燥工程)。
Next, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12によってRTA装置16に投入し、RTA装置16で前駆体乾燥膜の加熱・熱分解処理を行い、下部電極153上に配向制御層材料(PT)のアモルファス膜154を形成した。具体的には、熱分解温度380℃で5分間加熱し、PT前駆体乾燥膜中の有機物成分を分解させ、PT前駆体材料のアモルファス膜154を得た(熱分解工程)。
Next, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12で冷却ステージ17に移送し、冷却ステージ17上に2分間(以上)留め置いてシリコンウェハ基板151を室温まで冷却した(冷却工程)。
Next, the
次に、配向制御層材料のアモルファス膜154が形成されたシリコンウェハ基板151を冷却ステージ17からアライナー13を経由してスピナー塗布装置14に投入した。そして、準備したPZT前駆体液を滴下しながら、スピナー塗布装置14によってシリコンウェハ基板151を最大3000rpmで回転させてPZT前駆体液の塗膜をPT前駆体材料のアモルファス膜154上に形成した(塗布工程)。
Next, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12によってホットプレート15に投入し、ホットプレート15で前駆体液の塗膜の加熱・乾燥処理を行って強誘電体膜の前駆体乾燥膜を形成した。具体的には、主溶媒の沸点より高い140℃に加熱されたホットプレート15に1分間投入し、アモルファス膜154上に強誘電体膜の前駆体乾燥膜を形成した(乾燥工程)。
Next, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12によってRTA装置16に投入し、RTA装置16で前駆体乾燥膜の加熱・熱分解処理を行い、アモルファス膜154上に強誘電体膜材料(PZT)のアモルファス膜155を形成した。具体的には、熱分解温度380℃で5分間加熱し、PZT前駆体乾燥膜中の有機物成分を分解させ、PZT前駆体材料のアモルファス膜155を得た(熱分解工程)。
Next, the
次に、シリコンウェハ基板151を搬送装置12で冷却ステージ17に移送し、冷却ステージ17上に2分間(以上)留め置いてシリコンウェハ基板151を室温まで冷却した(冷却工程)。
Next, the
次に、アモルファス膜154及び155(積層アモルファス膜)が形成されたシリコンウェハ基板151を搬送装置12によってアライナー13を経由してRTA装置16に投入した。そして、RTA装置16で、より高い温度で加熱する操作を連続して行い、積層アモルファス膜を同時に結晶化した。具体的には、結晶化温度680℃で5分間加熱し、配向制御層となるPT前駆体材料のアモルファス膜154と強誘電体膜となるPZT前駆体材料のアモルファス膜155を同時に結晶化し、結晶膜156を形成した(結晶化工程)。
Next, the
なお、上記の説明では、PZT前駆体材料のアモルファス膜155をPT前駆体材料のアモルファス膜154上に積層し、いったんシリコンウェハ基板151を冷却ステージ17で冷却させた後、再びRTA装置16に投入して結晶化を行っている。しかし、同じRTA装置16で行うPZT前駆体材料の熱分解工程と連続して(一度シリコンウェハ基板151をRTA装置16から取り出して冷却させることなく)加熱・結晶化処理を行ってもよい。
In the above description, the
本実施例で得られた配向制御層と強誘電体膜とが積層された結晶膜156(積層アモルファス膜が同時に結晶化された膜)は、図10(b)に示す断面模式図のように、両者の界面が不明確となった、一体化した結晶膜になった。又、この一体化した結晶膜156の厚みは約100nmであった。
A crystal film 156 (a film obtained by simultaneously crystallizing a laminated amorphous film) obtained by laminating an orientation control layer and a ferroelectric film obtained in this example is as shown in a schematic cross-sectional view of FIG. , The interface between the two became unclear, resulting in an integrated crystal film. The thickness of this
図11は、一体化した結晶膜中のPb、Zr、Ti組成をダイナミックSIMSにて分析した結果を例示する図である。図11に示すように、一体化した結晶膜156の表層近傍領域の組成が強誘電体PZT組成となっている。そして、結晶膜156の下部へ向かうに従ってZrの量が連続的に低下し、同時にTiの量が増加している。更に、下層の下部電極との界面部近傍領域の組成は、配向制御層のPT組成となっていることが分かる。下部電極との界面部近傍領域に残存したPT結晶層により、その上に積層成膜されるPZT強誘電体膜の結晶配向をPT配向制御層と同じ結晶方位(100)に制御することができる。
FIG. 11 is a diagram illustrating the results of analyzing the Pb, Zr, and Ti compositions in the integrated crystal film by dynamic SIMS. As shown in FIG. 11, the composition in the vicinity of the surface layer of the
[PZT強誘電体膜の積層成膜によるPZT強誘電体膜の厚膜化]
上記のように一体化した結晶膜を形成した後、更に一体化した結晶膜上に、図1に示した通例のCSD法のプロセスフローに従ってPZT前駆体液を滴下し、PZT強誘電体膜を所望の厚みとなるまで積層成膜(厚膜化)した。
[Thickening of PZT ferroelectric film by stacking PZT ferroelectric film]
After forming the integrated crystal film as described above, the PZT precursor liquid is dropped onto the integrated crystal film according to the process flow of the usual CSD method shown in FIG. 1 to obtain a PZT ferroelectric film. The laminated film was formed (thickened) until the thickness became.
本実施例では図1においてX=3、Y=8、つまりPZT前駆体液の塗布工程から熱分解工程のプロセスを3回繰り返すごとに結晶化処理を行うプロセスを8回繰り返した。これにより、下部電極上に厚さ約2μmのPZT強誘電体膜を得ることができた。なお、この際の塗布、乾燥、熱分解、結晶化の各処理条件は、本実施例中で前述したPZT強誘電体膜の成膜条件と同一である。 In this example, in FIG. 1, X = 3, Y = 8, that is, the process of performing the crystallization process was repeated 8 times each time the PZT precursor solution coating process to the thermal decomposition process were repeated 3 times. As a result, a PZT ferroelectric film having a thickness of about 2 μm was obtained on the lower electrode. In this case, the coating, drying, thermal decomposition, and crystallization processing conditions are the same as those for the PZT ferroelectric film described above in this embodiment.
得られた厚さ約2μmのPZT強誘電体膜のX線回折結果を図12(b)に示す。図12(b)より、下部電極の白金膜が(111)配向であるにもかかわらず、得られたPZT強誘電体膜は、配向制御層によって制御された、良好な圧電性を発現する(100)優先配向をしていることが分かる。 FIG. 12B shows the X-ray diffraction result of the obtained PZT ferroelectric film having a thickness of about 2 μm. FIG. 12B shows that the obtained PZT ferroelectric film exhibits good piezoelectricity controlled by the orientation control layer, even though the platinum film of the lower electrode has (111) orientation ( 100) It turns out that it has a preferential orientation.
続いて、得られた厚さ約2μmのPZT強誘電体膜上に上部電極となる白金膜(厚み100nm)をスパッタリング法にて成膜した。その後、フォトリソ、エッチング加工等の所定の微細加工処理を施すことによって、インクジェットヘッド等に応用する圧電素子を得た。この圧電素子の特性は、それを駆動させるPZT強誘電体膜が、良好な圧電性を発現する(100)優先配向をしているため、良好な圧電特性を発現している。 Subsequently, a platinum film (thickness: 100 nm) serving as an upper electrode was formed on the obtained PZT ferroelectric film having a thickness of about 2 μm by a sputtering method. Then, a piezoelectric element applied to an inkjet head or the like was obtained by performing predetermined fine processing such as photolithography and etching. The piezoelectric element exhibits good piezoelectric characteristics because the PZT ferroelectric film that drives the piezoelectric element has a preferential orientation (100) that expresses good piezoelectricity.
以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments and examples have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and the above-described embodiments are not deviated from the scope described in the claims. Various modifications and substitutions can be made to the embodiments.
10 自動成膜装置
11 収納部材
12 搬送装置
13 アライナー
14 スピナー塗布装置
15 ホットプレート
16 RTA装置
17 冷却ステージ
19、151 シリコンウェハ基板
30、50 液滴吐出ヘッド
31 ノズル板
32 ノズル
33 圧力室
34 圧力室基板
35 振動板
40 電気機械変換素子
41、152 密着層
42、153 下部電極
43 電気機械変換膜
44 上部電極
60 インクジェット記録装置
81 記録装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 インクジェット記録ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112 拍車
113 排紙ローラ
114 拍車
115、116 ガイド部材
117 回復装置
154、155 アモルファス膜
156 結晶膜
200 結晶格子
201 原子
202 原子間の結合
210 配向制御層
220 強誘電体膜
DESCRIPTION OF
Claims (8)
非晶質の配向制御層を成膜する工程と、
前記非晶質の配向制御層と接するように非晶質の強誘電体膜を成膜する工程と、
前記非晶質の配向制御層と前記非晶質の強誘電体膜とを同時に結晶化する工程と、を有し、
結晶化された前記配向制御層の厚みが、結晶化された前記強誘電体膜の厚みの1/3から1/2であり、
結晶化された前記配向制御層が、結晶化された前記強誘電体膜と同じ結晶構造であり、かつ、構成元素の組成比が異なる強誘電体材料を含むことを特徴とする強誘電体膜の成膜方法。 A method of forming a ferroelectric film using a chemical solution deposition method,
Forming an amorphous orientation control layer;
Forming an amorphous ferroelectric film in contact with the amorphous orientation control layer;
Crystallization of the amorphous orientation control layer and the amorphous ferroelectric film simultaneously,
The thickness of the crystallized orientation control layer is 1/3 to 1/2 of the thickness of the crystallized ferroelectric film;
The ferroelectric film characterized in that the crystallized orientation control layer includes a ferroelectric material having the same crystal structure as that of the crystallized ferroelectric film and having a different composition ratio of constituent elements. The film forming method.
Ti1−x O3(xは0〜1の整数又は小数)であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項記載の強誘電体膜の成膜方法。 The ferroelectric material is PbZr x
4. The method for forming a ferroelectric film according to claim 1, wherein Ti 1-x O 3 (x is an integer of 0 to 1 or a decimal number). 5.
結晶化された強誘電体膜上に、非晶質の強誘電体膜を成膜する第1工程と、
前記第1工程で成膜された非晶質の強誘電体膜を結晶化する第2工程と、を有し、
前記第1工程と前記第2工程とを所定回数繰り返して、結晶化された強誘電体膜を厚膜化することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項記載の強誘電体膜の成膜方法。 After the crystallizing step,
A first step of forming an amorphous ferroelectric film on the crystallized ferroelectric film;
A second step of crystallizing the amorphous ferroelectric film formed in the first step,
5. The ferroelectric film according to claim 1, wherein the first process and the second process are repeated a predetermined number of times to thicken the crystallized ferroelectric film. 6. The film forming method.
厚膜化後の結晶化された強誘電体膜上に、上部電極を成膜する工程を有することを特徴とする請求項5記載の強誘電体膜の成膜方法。 The orientation control layer is formed on the lower electrode,
6. The method for forming a ferroelectric film according to claim 5, further comprising a step of forming an upper electrode on the crystallized ferroelectric film after the thick film formation.
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