(57)【要約】【課題】圧電特性の均一化を図ることができる強誘電体膜の形成方法、並びに対象物の特性の均一化を図ることができる熱処理装置を提供する。【解決手段】基板１上に強誘電体前駆体膜を形成し、次に強誘電対前駆体膜を加熱することで強誘電体膜を形成し、最後に基板１の表面と裏面とに対し全体的に冷却ガス４を吹き付けて強誘電体膜を冷却する。【選択図】図２
2010147266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に強誘電体前駆体膜を形成する前駆体形成工程と、
前記強誘電体前駆体膜を加熱することで強誘電体膜を形成する熱処理工程と、
前記基板の表面と裏面とに対し冷却ガスを吹き付けて前記強誘電体膜を冷却する冷却工程とを有することを特徴とする強誘電体膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の強誘電体膜の形成方法において、
前記冷却工程では、前記基板の表面と裏面とに対し吹き付けた前記冷却ガスを前記基板の面方向に沿って流すことを特徴とする強誘電体膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の強誘電体膜の形成方法において、
前記熱処理工程では、前記強誘電体前駆体膜を前記基板の表面側と裏面側とから同時に加熱することを特徴とする強誘電体膜の形成方法。
【請求項４】
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内に収容される前記基板の表面側と裏面側とにそれぞれ設けられた加熱体と、
前記チャンバー内に冷却ガスを供給する冷却機構とを具備し、
前記冷却機構は、前記チャンバーの前記基板に相対向する位置に設けられた複数のガス噴射口を少なくとも有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱処理装置において、
前記冷却機構は、前記複数のガス噴射口に連通して設けられた共通供給部と、該共通供給部に冷却ガスを供給するガス供給路とを備え、
前記ガス噴射口は、前記ガス供給路から遠ざかるにつれて開口径が大きくなっていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の熱処理装置において、
前記チャンバーは、当該チャンバー内に供給された冷却ガスを該チャンバー外へ排出する排出口を、前記基板の面方向に交差する壁に備えていることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板などの基板上に強誘電体膜を形成する強誘電体膜の形成方法及び強誘電体膜や半導体基板などの熱処理を行う熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をはじめとする強誘電体は、強誘電体メモリー、圧電素子、赤外センサー、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）デバイスなどの各種用途に用いられ、その研究開発が現在盛んに行われている。
【０００３】
このような強誘電体からなる強誘電体膜を形成する方法の代表的なものとしては、例えば、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル−ゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタリング法等が知られているが、特に、ＭＯＤ法及びゾル−ゲル法は、強誘電体膜を比較的低コストで且つ簡便に形成することができるという利点を有する。ＭＯＤ法は、一般的に、金属アルコキシド等の有機金属化合物をアルコールに溶解し、これに加水分解抑制剤等を加えて得たコロイド溶液を基板に塗布して強誘電体前駆体膜を形成した後、これを乾燥して焼成することで強誘電体膜を形成する方法である。一方、ゾル−ゲル法は、有機金属化合物をアルコールに溶解し、この有機金属化合物の溶液に必要最小限の水を加えて加水分解及び重縮合させて得たコロイド溶液を用いる以外、ＭＯＤ法と同様にして強誘電体膜を形成する方法である。
【０００４】
ここで、このようなＭＯＤ法やゾル−ゲル法等の強誘電体膜の形成方法における熱処理を行う熱処理装置として、両面側から基板を加熱する加熱機構と、両面側から基板の面方向に沿って基板の一端側から他端側に向かって冷却ガスを流すことで基板を冷却する冷却機構とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８１６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１の構成は、基板の面方向に沿って基板の一端側から他端側に向かって冷却ガスを流すことで基板を冷却するものであるため、基板の面方向で冷却ムラが生じやすいという問題があった。このような装置で強誘電体膜を冷却すると、冷却ムラによって面方向における圧電特性が不均一となってしまう虞があった。
【０００７】
なお、上記のような熱処理装置は、強誘電体膜を形成する場合だけでなく、シリコン基板に対してイオン注入法で表面に不純物をドープした後のアニール処理を行う場合にも使用されており、このような場合においても上記のような問題が同様に存在する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電特性の均一化を図ることができる強誘電体膜の形成方法、並びに対象物の特性の均一化を図ることができる熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の態様は、基板上に強誘電体前駆体膜を形成する前駆体形成工程と、前記強誘電体前駆体膜を加熱することで強誘電体膜を形成する熱処理工程と、前記基板の表面と裏面とに対し冷却ガスを吹き付けて前記強誘電体膜を冷却する冷却工程とを有することを特徴とする強誘電体膜の形成方法にある。
【００１０】
かかる態様では、基板の表面と裏面とに対し冷却ガスを吹き付けて強誘電体膜を冷却しているので、強誘電体膜は全体的に均一に冷却される。したがって本態様によれば、強誘電体膜の圧電特性の偏りを抑制することができ、強誘電体膜の圧電特性の均一化を図ることができる。また本態様によれば、強誘電体膜を効率よく且つ急速に冷却することができ、強誘電体膜の熱処理にかかる時間短縮を図ることができる。
【００１１】
ここで、前記冷却工程では、前記基板の表面と裏面とに対し吹き付けた前記冷却ガスを前記基板の面方向に沿って流すことが好ましい。これによれば強誘電体膜は、基板の面方向に沿って流れる冷却ガスによっても冷却されることになる。したがって、強誘電体膜をさらに急速に冷却することができ、強誘電体膜の熱処理にかかる時間短縮を図ることができる。
【００１２】
また、前記熱処理工程では、前記強誘電体前駆体膜を前記基板の表面側と裏面側とから同時に加熱することが好ましい。これによれば、良好な結晶状態と圧電特性とを備える強誘電体膜を形成することができる。
【００１３】
また、本発明の他の態様は、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に収容される前記基板の前記基板の表面側と裏面側とにそれぞれ設けられた加熱体と、前記チャンバー内に冷却ガスを供給する冷却機構とを具備し、前記冷却機構は、前記チャンバーの前記基板に相対向する位置に設けられた複数のガス噴射口を少なくとも有することを特徴とする熱処理装置にある。
【００１４】
かかる態様では、加熱時には、加熱体によって表面側と裏面側とから基板を加熱することができる。一方、冷却時にはガス噴射口から噴射される冷却ガスによって、表面側と裏面側とから均一に且つ効率よく基板の冷却を行うことができる。したがって、本態様の熱処理装置を、例えば、イオン注入法で表面にドープ層（以下、対象物と称する）を設けた基板の加熱や冷却に用いることで、対象物の特性の均一化を図ることができる。また、対象物を効率よく急速に冷却することができるので、対象物の冷却時間の短縮及び対象物の熱処理に係る時間の短縮を図ることができる。
【００１５】
ここで、前記冷却機構は、前記複数のガス噴射口に連通して設けられた共通供給部と、該共通供給部に冷却ガスを供給するガス供給路とを備え、前記ガス噴射口は、前記ガス供給路から遠ざかるにつれて開口径が大きくなっていることが好ましい。これによれば、ガス供給路から一定の冷却ガスを共通供給部内に供給することで、ガス噴射口からは、ガス供給路からの距離によらずガス噴射口毎に量の差の少ない冷却ガスが噴射される。これにより基板の表面と裏面とを、かかる基板の面方向においてさらに均一に冷却することができ、基板の面方向における対象物の特性の均一化を図ることができる。
【００１６】
また、前記チャンバーは、当該チャンバー内に供給された冷却ガスを該チャンバー外へ排出する排出口を、前記基板の面方向に交差する壁に備えていることが好ましい。これによれば、冷却ガスの流れが基板の面方向に沿った流れとなりやすく、対象物は基板の面方向に沿って流れる冷却ガスによっても冷却されることになる。したがって、本態様によれば、基板を急速に冷却することができ、対象物の冷却時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る熱処理装置の概略断面図である。また、図２は、本実施形態に係る熱処理装置の冷却時の様子を示す概略断面図であり、図３は、排出される冷却ガスの様子を示す概略平面図である。なお、図２及び図３の矢印は、冷却ガスの流れる方向を示している。
【００１８】
図１及び図２に示すように、本実施形態の熱処理装置１００は、基板１を収容するチャンバー１０と、基板１を加熱する加熱体である赤外線ランプ２０と、冷却ガスで基板１を冷却する冷却機構とを備える。赤外線ランプ２０は、基板１を直接加熱する加熱体であり、チャンバー１０の外側で且つ基板１の表面と裏面とに相対向する位置に複数設けられている。また、基板１はその外周部を、チャンバー１０内に設けられた保持部４０で保持されている。
【００１９】
チャンバー１０には、冷却ガス４を噴射するガス噴射口１３が、基板１のそれぞれの面に相対向する位置に複数設けられている。そして、チャンバー１０の外側には、複数のガス噴射口１３に連通する共通供給部１４が設けられている。またこの共通供給部１４には、冷却ガス６を供給する図示しない供給手段に連結されたガス供給路である供給ダクト１５が連結されている。供給ダクト１５は、具体的には共通供給部１４の一端側に連結されている。そして、ガス噴射口１３は、供給ダクト１５からの距離が遠ざかるにつれて、開口径が大きくなっている（図３参照）。このようにガス噴射口１３の開口径を変えることで、供給ダクト１５から冷却ガス６を共通供給部１４に供給した際に、各ガス噴射口１３からの噴射量の差を抑えることができる。つまり、全てのガス噴射口１３を同じ開口径に設けた場合、供給ダクト１５から近いほどガス噴射口１３から噴射される冷却ガス４の量は多くなる。しかしながら、本実施形態では、ガス噴射口１３の開口径が上記のように供給ダクト１５から遠ざかるにつれて大きく設けられているので、全てのガス噴射口１３からほぼ同一量の冷却ガス４を噴射することができる。なお、本実施形態では、これらガス噴射口１３、共通供給部１４、供給ダクト１５及び供給手段で、基板１に冷却ガスを吹き付けて基板１を冷却する冷却機構が構成されている。
【００２０】
また、チャンバー１０には、内部に供給された冷却ガス４をチャンバー１０外部へ排出する排出口１６が設けられている。この排出口１６は、チャンバー１０の、基板１の面方向に交差する壁に４つ、基板１と略同一面内の位置に設けられている（図３参照）。なお、排出口１６は、その軸方向を冷却ガス４の吹き付け方向に対して直交する方向に一致させた状態で設けられている。
【００２１】
このような熱処理装置１００では、基板１の加熱は、収容される基板１のそれぞれの面に相対向して配設された赤外線ランプ２０により、基板１の表面側と裏面側とから行うことができる。また基板１の冷却は、ガス噴射口１３から基板１の表面と裏面とに対し直接吹き付けられる冷却ガス５によって、基板１の表面側と裏面側とから行うことができる。具体的には、図２に示すように、図示しない供給手段から供給ダクト１５を介して共通供給部１４に冷却ガス６が供給されることで、共通供給部１４内に冷却ガス５が流れて共通供給部１４内の圧力が上昇する。この共通供給部１４内の圧力によって、ガス噴射口１３から基板１に向かって直接且つ全体的に冷却ガス４が吹き付けられる。また、上記冷却が行われる際に、基板１の冷却後の冷却ガス６は、チャンバー１０内の圧力によって、図２及び図３に示すように、排出口１６からチャンバー１０外部へ排出される。
【００２２】
かかる熱処理装置１００は、以下に説明する本発明の強誘電体膜の形成方法の熱処理工程及び冷却工程を行う際に用いて好適なものである。以下、本発明の強誘電体膜の形成方法について説明する。
【００２３】
まず、基板１の一方面（表面）に、強誘電体膜の材料となる溶液、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる有機金属化合物が溶解された溶液を塗布して、強誘電体前駆体膜を形成する（前駆体形成工程）。なお、基板１の一方面に強誘電体前駆体膜を形成する方法としては、スリットコート法や、スピンコート法、スパッタリング法など、従来周知の技術を適用することができる。
【００２４】
次に、強誘電体前駆体膜を加熱することで強誘電体膜を形成する（熱処理工程）。具体的には、まず強誘電体前駆体膜を所定温度に加熱し、その状態を一定時間保持して溶液中の溶媒を蒸発させて強誘電体前駆体膜を乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥させた強誘電体前駆体膜を、所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。なお、ここでいう脱脂とは、強誘電体前駆体膜の有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。そして、脱脂された強誘電体前駆体膜を、所定温度に加熱して一定時間保持することで焼成して強誘電体膜を形成する（焼成工程）。これら乾燥、脱脂、焼成工程により、強誘電体前駆体膜は結晶状態が良好な強誘電体膜となる。ここで、かかる熱処理工程では基板１の一方面側からのみ加熱しても構わないが、基板１の一方面側と他方面側、すなわち基板１の表面側とその反対側の裏面側とから、同時に加熱することが好ましい。強誘電体膜の結晶状態と圧電特性とが良好になるからである。ここで、上記の「同時に加熱する」とは、基板１の表面側から加熱する間に基板１の裏面側も加熱することを意味している。すなわち、熱処理工程時には、基板１の表面側と裏面側とで、加熱開始や加熱終了を完全に一致させる必要はない。
【００２５】
最後に、基板１の表面と裏面とに対し同時に冷却ガスを吹き付けることで強誘電体膜を冷却する（冷却工程）。ここで、上記の「同時に冷却ガスを吹き付ける」とは、基板１の表面に冷却ガスを吹き付けている間に基板１の裏面にも冷却ガスを吹き付けることを意味している。すなわち、冷却工程時には、基板１の表面側と裏面側とで、冷却ガスの吹き付け開始や吹き付け終了を完全に一致させる必要はない。これにより、強誘電体膜は基板１の表面側と裏面側とから冷却されるので、全体的に均一に冷却される。したがって、本発明の強誘電体膜の形成方法によれば、強誘電体膜の圧電特性の偏りを抑制することができ、強誘電体膜の圧電特性の均一化を図ることができる。また本発明の強誘電体膜の形成方法によれば、強誘電体膜を効率よく且つ急速に冷却することができ、強誘電体膜の熱処理にかかる時間短縮を図ることができる。
【００２６】
ここで、上記冷却工程では、強誘電体膜を、基板１の面方向において偏りなく冷却することが好ましい。かかる強誘電体膜の面方向において強誘電体膜の特性を均一にすることができるからである。本発明の熱処理装置１００は、ガス噴射口１３の開口径が、供給ダクト１５からの距離が遠ざかるにつれて大きく設けられており、これによって全てのガス噴射口１３からほぼ同一量の冷却ガス４を噴射することができるようになっている。したがって、上記本発明の熱処理装置１００を用いることで、強誘電体膜の面方向において強誘電体膜の特性を均一にすることができる。
【００２７】
また、上記冷却工程では、基板１のそれぞれの面に対し吹き付けた冷却ガスを基板のそれぞれの表面に沿って流すことが好ましい。強誘電体膜が、吹き付けられる冷却ガスだけでなく、表面に沿って流れる冷却ガスによっても冷却されることになるため、その分強誘電体膜を急速に冷却することができ、強誘電体膜の熱処理に係る時間短縮を図ることができるからである。上述した熱処理装置１００を用いる場合、ガス噴射口１３から基板１のそれぞれの面に対し冷却ガス４を吹き付けると、チャンバー１０内の圧力が上昇し、排出口１６から冷却ガス５がチャンバー１０外へ排出される。この排出口１６は、基板１の面方向に交差する壁に設けられているため、冷却ガスは、基板１の面に交差する方向から基板１の面に沿った方向へ流れていく。すなわち、冷却ガス５は、排出口１６によって基板１の面に沿って流れる。したがって、上記熱処理装置１００を用いることで、強誘電体膜を効率よく且つ急速に冷却することができ、強誘電体膜の熱処理に係る時間短縮を図ることができる。
【００２８】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は構造や材質などを含めて、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
例えば、上述した実施形態では、排出口１６が４つ設けられた構成を示したが、排出口１６の数は限定されるものではない。また、基板１の面方向に交差する壁に設けられているのであれば、その壁のどこに設けられていてもよい。
【００３０】
また、上述した実施形態の熱処理装置１００では、基板１を加熱する加熱体として赤外線ランプ２０を用いた例を示したが、加熱体は特に限定されるものではなく、例えば、チャンバー１０の外側を覆うように配設されたチャンバー１０を加熱するコイルを用いても良い。何れにしても、基板１のそれぞれの面に相対向して配設され、基板１を両面から加熱するものであればよい。
【００３１】
また、上述した実施形態の熱処理装置１００は、供給ダクト１５が、共通供給部１４の、チャンバー１０の軸方向における一端側だけに設けられていたが、図４及び図５の熱処理装置１００Ａに示すように、共通供給部１４の、チャンバー１０の両端部に設けられている構成であってもよい。図４は、本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の概略断面図であり、図５は、本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の概略平面図である。図４及び図５に示す熱処理装置１００Ａの場合、供給ダクト１５から最も遠いのは、チャンバー１０の長さ方向における中央部となり、ガス噴射口１３の開口径は、図５に示すように、共通供給部１４の、チャンバー１０の中央部が最も大きなものとなっている。
【００３２】
また、上述した実施形態の熱処理装置１００，１００Ａの冷却機構は、冷却ガス４を噴射する複数の冷却ガス管路を有するものであって、この冷却ガス管路の冷却ガスを噴射するガス噴射口１３を基板１のそれぞれの面に相対向して配設したものとしてもよい。
【００３３】
上記の本発明は、具体的には、強誘電体メモリー、赤外センサー、ＳＡＷデバイス等の強誘電体膜や、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドのアクチュエーターとして使用される圧電素子等の強誘電体膜を形成する際に適用することで、強誘電体膜の面方向において圧電特性の偏りを抑制することができ、強誘電体膜の面方向における圧電特性の均一化を図ることができる。また、上記本発明の熱処理装置１００，１００Ａは、強誘電体膜を形成するときばかりでなく、例えば、シリコン基板の表層にイオン注入法でドープ層を設けた後のアニール処理にも使用することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱処理装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱処理装置の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱処理装置の概略平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の概略断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の概略平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  基板、  ４，５，６  冷却ガス、  １０  チャンバー、  １３  ガス噴射口、  １４  共通供給部、  １５  供給ダクト、  １６  排出口、  ２０  赤外線ランプ、  ４０  保持部、  １００，１００Ａ  熱処理装置
【図１】
2010147266.tif 000003
【図２】
2010147266.tif 000004
【図３】
2010147266.tif 000005
【図４】
2010147266.tif 000006
【図５】
2010147266.tif 000007