(57)【要約】【課題】検知感度の高い赤外線検出素子に適した強誘電体薄膜を形成可能な薄膜形成装置およびそれを用いた薄膜形成方法を提供することである。【解決手段】薄膜形成装置１０００は、真空槽１０と、真空槽内を移動可能なように保持されるターゲット保持台１２と、成膜材料を含むターゲット２０と、このターゲット２０の表面に、高エネルギー放射線を放射するためのＡｒＦエキシマレーザ３０と、エキシマレーザからの放射線をターゲット２０の表面に集光させるための光学系と、基板４０を保持する基板保持台５０と、基板４０に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽１０内に導入するための酸化性ガス導入部６０と、基板保持台５０の内部に設けられ基板を真空槽１０内において加熱するためのヒータ７０と、基板保持台５０に保持された基板４０に光線を照射するためのライト８０とを備える。【選択図】図１
2011012349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽内の所定の位置に設けられ、成膜材料を含むターゲットを固定可能なターゲット部と、
前記ターゲット部に固定された前記ターゲットの表面に高エネルギー放射線を放射するための高エネルギー放射線発生源と、
前記高エネルギー放射線を前記ターゲット部に固定された前記ターゲットに集光させるための光学系と、
前記ターゲット部に対向するように設けられ、前記高エネルギー放射線により前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるための基板を保持する基板保持部と、
前記基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを前記真空槽内に導入するための酸化性ガス導入手段と、
前記基板を前記真空槽内において加熱するための加熱手段と、
前記基板部に保持された前記基板に熱線を照射するための第１の照射手段とを備える、薄膜形成装置。
【請求項２】
前記ターゲット部は、
円柱状のターゲットを固定可能であり、かつ、前記円柱状のターゲットを前記円柱状のターゲットの中心軸について回転させることが可能な回転手段を含み、
前記基板保持部は、
前記円柱状のターゲットの中心軸に平行に、前記基板を移動させることが可能な移動手段を含む、請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
真空槽と、
前記真空槽内の所定の位置に設けられ、成膜材料を含むターゲットを固定可能なターゲット部と、
前記ターゲット部に固定された前記ターゲットの表面に高エネルギー放射線を放射するための高エネルギー放射線発生源と、
前記高エネルギー放射線を前記ターゲット部に固定された前記ターゲットに集光させるための光学系と、
前記ターゲット部に対向するように設けられ、前記高エネルギー放射線により前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるための基板を保持する基板保持部と、
前記基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを前記真空槽内に導入するための酸化性ガス導入手段と、
前記基板を前記真空槽内において加熱するための加熱手段と、
前記ターゲット部に固定された前記ターゲットに熱線を照射するための第１の照射手段とを備える、薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ターゲット部は、
円柱状のターゲットを固定可能であり、かつ、前記円柱状のターゲットを前記円柱状のターゲットの中心軸について回転させることが可能な回転手段を含み、
前記基板保持部は、
前記円柱状のターゲットの中心軸に平行に、前記基板を移動させることが可能な移動手段を含む、請求項３記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
薄膜形成方法であって、
真空槽内の所定の位置にターゲットを設置し、前記ターゲットに対向するように基板を設置し、前記ターゲットおよび前記基板を前記真空槽内において減圧するステップと、
前記基板を前記真空槽内において加熱するステップと、
前記ターゲットに熱線を照射するステップと、
前記基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを前記真空槽内に導入するステップと、
前記ターゲット表面に高エネルギー放射線を集光放射し、前記基板に前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるステップと、
を備える、薄膜形成方法。
【請求項６】
前記ターゲットは、円柱状のターゲットであり、
前記基板に前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、
前記円柱状のターゲットを前記円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、
前記円柱状のターゲットの中心軸に平行に、前記基板を移動させるステップとを含む、請求項５記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
前記基板に前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、
前記円柱状のターゲットを前記円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、
前記円柱状のターゲットの中心軸に平行に、前記基板を移動させるステップと、
前記基板を前記真空槽内において段階的に温度を変化させて加熱するステップとを含む、請求項５記載の薄膜形成方法。
【請求項８】
薄膜形成方法であって、
基板上に有機金属膜を塗布し、酸化性ガス雰囲気中で熱処理することによって前記基板上に無機膜を形成するステップと、
真空槽内の所定の位置に円柱状のターゲットを設置し、前記ターゲットに対向するように前記無機膜を形成した基板を設置し、前記ターゲットおよび前記基板を前記真空槽内において減圧するステップと、
前記基板を前記真空槽内において加熱するステップと、
前記ターゲットに熱線を照射するステップと、
前記基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを前記真空槽内に導入するステップと、
前記ターゲット表面に高エネルギー放射線を集光放射し、前記基板に前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるステップとを備え、
前記基板に前記ターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、
前記円柱状のターゲットを前記円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、
前記円柱状のターゲットの中心軸に平行に、前記基板を移動させるステップとを含む、薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強誘電体薄膜材料などの薄膜を基板上に堆積するための薄膜形成装置およびそれを用いた薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［赤外線検出素子の背景技術］
室温の物体や人体からは、波長１０μｍ付近の赤外線（熱線）が輻射されており、これを計測することにより、それらの存在や温度の情報が非接触で得られ、自動扉、侵入警戒器、電子レンジの調理モニタ、科学計測等のさまざまな応用がなされている。
【０００３】
こういった計測において、一番のキーデバイスは赤外センサであり、量子型赤外センサと熱型赤外センサの２種類に大きく分けられる。
【０００４】
量子型赤外センサは、感度が大きく検知能力に優れているが、冷却が必要なため装置が大型になるといった点で実用性に問題があるが、熱型赤外センサは、感度が量子型赤外センサよりは少し劣るものの室温動作が可能であるというメリットがあり、実用性に富んでいる。
【０００５】
このため、熱型赤外センサとして、焦電効果を用いるもの、抵抗ボロメータ、誘電ボロメータ、サーモパイル、ゴーレイセル等、数多くのものが提案されている。たとえば、焦電効果を用いた赤外線イメージセンサが、非特許文献１に開示されている。
【０００６】
とくに、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータは、他のセンサより感度が高く、チョッパが必要ない等の優れた特徴を有しており実用的見地から期待されている。
【０００７】
さらに、より高度な赤外線センシングとして、物体や風景の温度分布を非接触で得られる赤外線イメージセンサ（サーモグラフィー）への応用が期待される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃ．８ｔｈ  ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ａｐｐｌ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（１９９２）ｐｐ．１−１０（「ＰＹＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣ ＩＭＡＧＩＮＧ」Ｂｅｍａｒｄ Ｍ．Ｋｕｌｗｉｃｋｉ  ｅｔ．ａｌ．）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
［赤外線検出素子用の強誘電体材料の背景技術］
上記赤外線イメージセンサ等に用いられる赤外検出素子を高性能化するためには、この赤外線検出素子を構成する材料の検知感度が大きいことが必要である。
【００１０】
言い換えると、焦電効果を用いた焦電（ＰＥ：pyroelectric）ボロメータを赤外線センサとする場合、室温付近でその焦電係数が大きなことが必要であり、上記のような誘電ボロメータ（ＤＢ：Dielectric Bolometer）では室温付近での誘電率の温度変化が大きいことが必要である。
【００１１】
このような赤外線検出素子用の重要な材料群に、（Ｂａ0.75Ｓｒ0.25）ＴｉＯ3（以下、ＢＳＴとも略称する）や、正方晶系タングステンブロンズ構造を有する強誘電ＳＢＮ（strontium barium niobate, Ｓｒ1-x Ｂａx  Ｎｂ2Ｏ6、ただし、０．２５≦ｘ≦０．７５）結晶（以下、ＳＢＮとも略称する）がある。
【００１２】
とくにＳＢＮは、強誘電体材料の中でも、非常に優れた強誘電特性を示して最も高い焦電係数を有し、そのキュリー温度（Ｔｃ）は、Ｓｒ／Ｎｂ比を制御することによって、６０℃から２５０℃まで連続的に変更することが可能である。
【００１３】
さらに、ＳＢＮは、拡散相転移の特徴を示す。すなわち、強誘電相転移が、Ｔｃに近い比較的広い温度範囲内で、非常に高くかつ鋭い誘電ピークを有して発生する。
【００１４】
上述したとおり、強誘電体材料は、図２２に示すような分極および誘電率の双方の温度依存性を、熱型赤外線センサに使用することができる。前者の効果は、従来の焦電（ＰＥ）ボロメータに関し、後者は、誘電ボロメータ（ＤＢ）に関する。
【００１５】
ここで、高感度な特性を得るには、材料の相転移温度（Ｔｃ）を測定温度範囲近くにし、誘電率の温度変化率を大きくしなければならない。
【００１６】
実際に、Ｓｒ0.48Ｂａ0.52Ｎｂ2Ｏ6のＴｃ値は約１２５℃である。たとえば、このＳＢＮを、０．５％Ｌａ2Ｏ3で置換することによって、６０℃にまで下げることが可能であることが知られている。さらに、ＳＢＮ材料は、Ｐｂ等の揮発性エレメントを含まないため、非常に安定である。レーザアブレーション方法によって、ＳＢＮの薄膜を、ターゲットに完璧に等しい化学量論で容易に成長することが可能であることが、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．２４３，ｐｐ．５５７−５６２（１９９２）（「Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｂａｒｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ ｔｈｉｎ
ｆｉｌｍｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）に報告されている。
【００１７】
ところで、上記赤外線センサをアレイ状に配列し、高密度に集積化することで赤外線イメージセンサとすることを考えると、誘電体セラミックとシリコンＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等のスイッチング素子とのアレイを同一の半導体基板上に形成することが必要となる。このことは、スイッチング素子等の形成プロセスと赤外線検出素子形成プロセスとの整合性、たとえば、半導体基板上に形成された金属電極上へ誘電体セラミックをその特性を劣化させることなく低温で形成することが必要となることを意味する。
【００１８】
しかしながら、従来用いられていたレーザアブレーション法では、堆積温度の低下という点で十分でないだけでなく、強誘電体薄膜の堆積速度が小さいという問題点があった。
【００１９】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、検知感度の高い赤外線検出素子に適した強誘電体薄膜を形成可能な薄膜形成装置およびそれを用いた薄膜形成方法を提供することである。
【００２０】
この発明の他の目的は、赤外線２次元イメージセンサ等において、半導体基板上に形成されるトランジスタ等のデバイスの形成プロセスに整合性の良い強誘電体薄膜の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１記載の薄膜形成装置は、真空槽と、真空槽内の所定の位置に設けられ、成膜材料を含むターゲットを固定可能なターゲット部と、ターゲット部に固定されたターゲットの表面に高エネルギー放射線を放射するための高エネルギー放射線発生源と、高エネルギー放射線をターゲット部に固定されたターゲットに集光させるための光学系と、ターゲット部に対向するように設けられ、高エネルギー放射線によりターゲットから噴出した物質を堆積させるための基板を保持する基板保持部と、基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽内に導入するための酸化性ガス導入手段と、基板を真空槽内において加熱するための加熱手段と、基板部に保持された基板に熱線を照射するための第１の照射手段とを備える。
【００２２】
請求項２記載の薄膜形成装置は、請求項１記載の薄膜形成装置の構成に加えて、ターゲット部は、円柱状のターゲットを固定可能であり、かつ、円柱状のターゲットを円柱状のターゲットの中心軸について回転させることが可能な回転手段を含み、基板保持部は、円柱状のターゲットの中心軸に平行に、基板を移動させることが可能な移動手段を含む。
【００２３】
請求項３記載の薄膜形成装置は、真空槽と、真空槽内の所定の位置に設けられ、成膜材料を含むターゲットを固定可能なターゲット部と、ターゲット部に固定されたターゲットの表面に高エネルギー放射線を放射するための高エネルギー放射線発生源と、高エネルギー放射線をターゲット部に固定されたターゲットに集光させるための光学系と、ターゲット部に対向するように設けられ、高エネルギー放射線によりターゲットから噴出した物質を堆積させるための基板を保持する基板保持部と、基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽内に導入するための酸化性ガス導入手段と、基板を真空槽内において加熱するための加熱手段と、ターゲット部に固定されたターゲットに熱線を照射するための第１の照射手段とを備える。
【００２４】
請求項４記載の薄膜形成装置は、請求項３記載の薄膜形成装置の構成に加えて、ターゲット部は、円柱状のターゲットを固定可能であり、かつ、円柱状のターゲットを円柱状のターゲットの中心軸について回転させることが可能な回転手段を含み、基板保持部は、円柱状のターゲットの中心軸に平行に、基板を移動させることが可能な移動手段を含む。
【００２５】
請求項５記載の薄膜形成方法は、真空槽内の所定の位置にターゲットを設置し、ターゲットに対向するように基板を設置し、ターゲットおよび基板を真空槽内において減圧するステップと、基板を真空槽内において加熱するステップと、ターゲットに熱線を照射するステップと、基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽内に導入するステップと、ターゲット表面に高エネルギー放射線を集光放射し、基板にターゲットから噴出した物質を堆積させるステップとを備える。
【００２６】
請求項６記載の薄膜形成方法は、請求項５記載の薄膜形成方法の構成に加えて、ターゲットは、円柱状のターゲットであり、基板にターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、円柱状のターゲットを円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、円柱状のターゲットの中心軸に平行に、基板を移動させるステップとを含む。
【００２７】
請求項７記載の薄膜形成方法は、請求項５記載の薄膜形成方法の構成に加えて、基板にターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、円柱状のターゲットを円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、円柱状のターゲットの中心軸に平行に、基板を移動させるステップと、基板を真空槽内において段階的に温度を変化させて加熱するステップとを含む。
【００２８】
請求項８記載の薄膜形成方法は、基板上に有機金属膜を塗布し、酸化性ガス雰囲気中で熱処理することによって基板上に無機膜を形成するステップと、真空槽内の所定の位置に円柱状のターゲットを設置し、ターゲットに対向するように無機膜を形成した基板を設置し、ターゲットおよび基板を真空槽内において減圧するステップと、基板を真空槽内において加熱するステップと、ターゲットに熱線を照射するステップと、基板に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽内に導入するステップと、ターゲット表面に高エネルギー放射線を集光放射し、基板にターゲットから噴出した物質を堆積させるステップとを備え、基板にターゲットから噴出した物質を堆積させるステップは、円柱状のターゲットを円柱状のターゲットの中心軸について回転させるステップと、円柱状のターゲットの中心軸に平行に、基板を移動させるステップとを含む。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したとおり、本発明にかかる薄膜形成装置およびその形成方法により作成された強誘電体薄膜により、室温で高感度かつ簡易な構成の赤外線検出素子を実現することができる。また、この赤外線検出素子を２次元に配列した２次元センサアレイにより、高感度かつ高密度画素の室温動作赤外線２次元イメージセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】ＢＳＴ薄膜を堆積する場合の堆積条件を示す図である。
【図３】ＢＳＴ膜のＸＲＤプロファイルを示す図である。
【図４】ＳＢＮ薄膜を堆積する場合の堆積条件を示す図である。
【図５】（００１）配向および（３１１）配向のＳＢＮ膜の、電流密度Ｊの印加電圧Ｖ依存性を示す図である。
【図６】実施の形態２の薄膜形成装置１２００の構成を説明するためのブロック図である。
【図７】ＢＳＴ膜の、Ｄ−Ｖヒステリシス曲線を示す図である。
【図８】ＢＳＴ膜の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した場合のグレインの状態を示す概念図である。
【図９】ＳＢＮ膜のＸＲＤプロファイルを示す第１の図である。
【図１０】ＳＢＮ膜のＸＲＤプロファイルを示す第２の図である。
【図１１】ＳＢＮ膜の、Ｐ−Ｖヒステリシス曲線を示す第１の図である。
【図１２】ＳＢＮ膜の、Ｐ−Ｖヒステリシス曲線を示す第２の図である。
【図１３】ランプ８０を照射しつつポストアニールを行なった前後での抵抗の温度特性の変化を示す図である。
【図１４】実施の形態３の薄膜形成装置１４００の構成を説明するためのブロック図である。
【図１５】薄膜形成装置１４００において、図２に示す条件で成膜を行なった場合のＢＳＴ膜の電気特性を示す図である。
【図１６】異なる配向を有する２つの膜に関して、容量および誘電率（εr）の温度依存性を示す図である。
【図１７】ＳＢＮ膜の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した場合のグレインの状態を示す概念図である。
【図１８】実施の形態４の薄膜形成装置１６００の構成を説明するためのブロック図である。
【図１９】薄膜形成装置１６００において、図２に示す条件で成膜を行なった場合のＢＳＴ膜のＣ−Ｔ特性を示す図である。
【図２０】実施の形態５のＢＳＴ膜の誘電特性の温度変化を示す図である。
【図２１】実施の形態６のＢＳＴ膜の誘電特性の温度変化を示す図である。
【図２２】分極および誘電率の双方の温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［実施の形態１］
［薄膜形成装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成を説明するためのブロック図である。
【００３２】
図１を参照して、薄膜形成装置１０００は、バックプレッシャーが、１×１０-5Ｐａ程度まで減圧することが可能な真空槽１０と、ベローズ１４および操作部１６により真空槽内を移動可能なように保持されるターゲット保持台１２と、ターゲット保持台１２上に固定され、成膜材料を含むターゲット２０と、このターゲット２０の表面に、高エネルギー放射線、たとえば、紫外線（波長  １９３）ｎｍ）を放射するためのＡｒＦエキシマレーザ３０と、エキシマレーザからの放射線をターゲット２０の表面に集光させるためのミラー３２．１、３２．２およびレンズ３４から成る光学系３８と、ターゲット保持台１２に対向するように設けられ、エキシマレーザ３０からの放射線によりターゲットから噴出した物質を堆積させるための基板４０を保持する基板保持台５０と、基板保持台５０を真空槽内を移動可能なように保持するためのベローズ５２および操作部５４と、基板４０に堆積する物質を酸化させるための酸化性ガスを真空槽１０内に導入するための酸化性ガス導入部６０と、基板保持台５０の内部に設けられ基板を真空槽１０内において加熱するためのヒータ７０と、基板保持台５０に保持された基板４０に光線を照射するためのライト８０とを備える。なお、図中、プル−ム９０とあるのは、ターゲット２０からの噴出物を概念的に示したものである。
【００３３】
ここで、酸化性ガスとしては、Ｏ2，Ｏ3，Ｎ2Ｏ，ＳＯ2などのガスを用いることが可能である。
【００３４】
さらに、ライト８０により照射される熱線としては、真空紫外光（ＵＶ光）や赤外線（ＩＲ光）を用いることができる。ライト８０は、基板４０の全面を照射するものとする。このライト８０により、基板表面で熱線の照射される堆積部の温度のみを上昇させ、あるいは、化学反応を活性化することができる。
【００３５】
また、上述の説明では、エキシマレーザ３０を用いることとしたが、マルチレーザ、大面積レーザ、自由電子レーザなどを用いることも可能である。
【００３６】
レーザ周波数は、１〜１０Ｈｚ程度であり、真空槽１０の真空度は、堆積時には、１．３Ｐａ〜６７Ｐａ程度である。
【００３７】
図２は、特に、ＢＳＴ薄膜を堆積する場合の堆積条件を示す図である。
ターゲット４０としては、ＢＳＴの化学量論比に調整されたホットプレス焼結体を用い、基板としては、膜特性の測定等が可能なように、（１００）Ｓｉ基板上にＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、ＮＳＧ膜（４００ｎｍ）、Ｔｉ膜およびＰｔ膜を堆積し、パターニングしたものを用いている。このＰｔ／Ｔｉ膜が誘電率測定等における下地電極となる。
【００３８】
ターゲットー基板距離とは、図１における距離ｄである。この条件で、典型的には、膜の堆積速度は、４ｎｍ／ｍｉｎであり、従来のレーザアブレーション法の２〜３ｎｍ／ｍｉｎに比べて、堆積速度の向上が見られる。
【００３９】
ライト８０からの照射線としては、波長２５０ｎｍのＵＶ光を用いた。
なお、以下の説明では、ターゲットー基板距離は、２．５ｃｍ固定であるものとし、ポストアニールは、後に説明する場合を除いて行なわないものとする。
【００４０】
［強誘電体薄膜（ＢＳＴ膜）の形成］
以下では、ＢＳＴ強誘電体薄膜の作製手順についてさらに詳しく説明する。
【００４１】
すなわち、上述のとおり、粉末ターゲットを作製して、Ｐｔ／Ｔｉ／ＮＳＧ／ＳｉＮ／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）基板上に、パルスレーザアブレーション堆積方法によって薄膜の成長を行う。
【００４２】
［薄膜成長の条件］
まず、ターゲットは、ＳｒＣＯ3，ＢａＣＯ3およびＴｉＯ2粉末（純度９９．５％以上）の細かく粉砕された混合物をペレット形にホットプレスで加圧成形することによって作製する。
【００４３】
ここで、Ｂａ、ＳｒおよびＴｉの含量は、０．７５：０．２５：１の割合となるように制御する。これは、（Ｂａ0.75Ｓｒ0.25）ＴｉＯ3の名目上の組成に合わせたものである。
【００４４】
特に限定されないが、機械的強度を改善するために、ペレットは空気中で、８００℃で２時間および１１５０℃で２時間、連続して焼結する。
【００４５】
堆積のプロセスは、以下の手順で行う。
基板をまずチャンバ（図示せず）内にセットし、その後、分子ポンプを使用して高いバックグラウンド圧力（＜２×１０-8Ｔｏｒｒ）に予め排気された主チャンバ１０内に移動する。
【００４６】
エキシマレーザとしては、たとえば、１９３ｎｍの波長（λ）を有し、５ショット／秒の反復速度で動作するＡｒＦエキシマレーザを用いることが可能である。ここで、エキシマレーザからのレーザ光を３つの鏡によって反射させて、入射角４５°でターゲット表面に焦点を定めて、ターゲット材料を蒸発させる。
【００４７】
レーザの照射条件としては、たとえば、レーザフルーエンスを１２０ｍＪにセットし、ターゲット表面上のビームサイズを約０．２×５ｍｍ2とする。このような条件では、ビーム伝送中のエネルギ損失によって、ターゲット表面上のエネルギ密度は約２Ｊ／ｃｍ2となる。
【００４８】
ターゲットから蒸発したターゲット材料が堆積する基板は、上述のとおり、ターゲットより２．５ｃｍの距離に置かれる。
【００４９】
基板は、ヒータ７０で加熱される基板保持台５０上に装着され、基板温度（Ｔｓ）は、ＰＩＤ温度コントローラを用いて、５５０℃程度に保持される。同時に、基板には、ライト８０によりＵＶ光が照射される。
【００５０】
特に限定されないが、３００ｓｃｃｍの分子流速で、Ｏ2（またはＮ2Ｏでもよい）をチャンバ内に送り込む。このとき、周囲圧力は、ＴＭＰのターボスピードを制御することによって、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）に調整する。
この条件下では、たとえば、成長速度は約２５０ｎｍ／ｈとなり、これは、０．０１４ｎｍ／パルスに対応する。
【００５１】
［ＢＳＴ膜の配向性評価］
図３は、上述したように作製された、ＢＳＴ膜のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）プロファイルを示す。
【００５２】
ここで、図３からわかるように、上述のように作製された薄膜は強い配向性を有する。図３中では、種々の膜厚のプロファイルを示す。
【００５３】
［Ｓｒ0.5Ｂａ0.5Ｎｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）薄膜の作成］
以下では、図１に示した装置を用いて、上述した成膜条件のうち、ターゲット組成をＳＢＮ膜に対応して、ＳＢＮ膜の化学量論比としたものを用い、成膜期間中において、以下に示すシーケンスで基板温度を段階的に変化させることとした場合の膜特性評価について説明する。
【００５４】
温度の変更シーケンスとしては、中程度の温度→高温→低温と変化させている。特に限定されないが、たとえば、５５０℃で３０分→６５０℃で３０分→５００℃で１時間というようなシーケンスである。
【００５５】
なお、上述のように基板温度を変化させる点を除いた成膜条件を図４に示す。
図４において、基板温度は、初期的な温度を示す。
【００５６】
［薄膜の電気的特性］
以下では、このようにして堆積された薄膜の電気的特性について説明する。
【００５７】
基板としては、熱酸化されたＳｉ（１００）ウェハを使用し、電気的測定を行なうために、Ｐｔ（３００ｎｍ）／Ｔｉ（１５０ｎｍ）の二層金属膜を、室温でのＲＦマグネトロンスパッタリングしたものを用いている。
【００５８】
電気的特性の測定のためにＰｔ／ＳＢＮ／Ｐｔキャパシタ構成を得るために、０．１、０．２、および０．５ｍｍの３つの直径を有する点状のＰｔ電極を、金属マスクを通じて薄膜の上部表面上にＲＦマグネトロンスパッタリングで形成する。
【００５９】
図５は、Ｐｔ／ＳＢＮ／Ｐｔ／Ｔｉキャパシタ構造とした（００１）配向および（３１１）配向のＳＢＮ膜の、電流密度Ｊの印加電圧Ｖ依存性を示す。
【００６０】
ただし図５のうち、（３１１）配向の特性が酸素雰囲気での成長条件に対応している。
正のバイアスを上部電極に印加して、漏れ電流密度を室温で測定する。
【００６１】
すべての膜は低いオーム伝導（∂ｌｎＪ／∂ｌｎＶ〜１）を示し、約２Ｖの遷移電圧までの印加バイアスに対して、１０-5Ａ／ｃｍ2より低い電流密度を示している。
【００６２】
これは、１μｍ厚さのＳＢＬＮ膜に対する２０ｋＶ／ｃｍの印加電界に対応する。遷移電圧を超えると、電流密度は（∂ｌｎＪ／∂ｌｎＶ）〜７ないし１０の傾斜で急速に増加する。
【００６３】
しかしそれでも、１．５Ｖで約２００ｎＡ／ｃｍ2の漏れ電流密度レベルは、センサ動作が十分可能なレベルである。
【００６４】
［実施の形態２］
図６は、実施の形態２の薄膜形成装置１２００の構成を説明するためのブロック図である。
【００６５】
実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成と異なる点は、ターゲット保持部１２を外部から自転させることが可能な回転部１００が設けられる構成となっている点である。回転部１００は、特に限定されないが、たとえば、磁石の磁力によりターゲット保持部１２と力学的に結合しており、所定の回転数でターゲット保持部１２を回転させる。
【００６６】
また、実施の形態２においては、成膜期間中は、操作部５４により基板４０が成膜期間中に、前記ターゲットに対して連続的に移動される。
【００６７】
その他の点は、実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成と同様であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６８】
ここで、ターゲット保持部１２を回転させるのは、堆積中、入射レーザの照射による深いクレータの形成を回避するためである。
【００６９】
また、基板を成膜期間中に移動させるのは、大面積基板での膜厚の均一性を向上させるためである。
【００７０】
［ＢＳＴ膜の作成］
まず、図６の装置１２００により、ＢＳＴ膜を成膜した結果について説明する。成膜条件は、基本的に図２に示した条件と同様であるが、ポストアニールは行なっていない。
【００７１】
ターゲット保持部１２の回転条件、基板４０の移動シーケンスとしては、たとえば、１０ｒｐｍで回転させつつ、±３ｃｍ幅を３ｃｍ／ｍｉｎで移動させる。
【００７２】
図７は、以上の条件で成膜したＢＳＴ膜の、Ｄ−Ｖヒステリシス曲線を示す。
ＢＳＴ膜の残留分極（Ｐr）は、１μＣ／ｃｍ2である。また、抗電界（Ｅc）は〜４０ｋＶ／ｃｍである。
【００７３】
図７で示した例では、特にポストアニールは行なっていない。
［ポストアニールの効果］
しかし、減圧下で、膜のポストアニールを行なうこととすれば、膜特性の向上が見られる。
【００７４】
たとえば、このようなポストアニールの条件は、たとえば、５５０℃で３時間である。
図８は、このようにして成膜したＢＳＴ膜の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した場合のグレインの状態を示す概念図である。
【００７５】
図８によりわかるように、グレインサイズは、約２００ｎｍであり、十分に大きい。減圧下でのポストアニールを行なわない場合と比べると、グレインサイズが大きくなっている。
【００７６】
［Ｓｒ0.5Ｂａ0.5Ｎｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）薄膜の作成］
さらに、以下では、図６に示した実施の形態２の薄膜形成装置１２００でＳＢＮ膜を成膜した場合の結果について説明する。
【００７７】
成膜条件は、基本的に図４に示した通りであるが、酸化性ガスの種類を変え、また、酸化性ガス雰囲気でのポストアニールを行なっている。
【００７８】
ポストアニールの条件としては、たとえば、６００℃で３時間である。
図９および図１０は、このようにして成膜したＳＢＮ膜のＸＲＤプロファイルを示す。図９は、Ｎ2Ｏ雰囲気で成膜し、上記の条件でポストアニールを行なったものであり、図１０は、Ｏ2雰囲気で成膜し、上記の条件でポストアニールを行なったものである。
【００７９】
堆積の直後に行なうポストアニールにより、形成される膜内に起こり得る酸素欠損を補償するものと考えられる。
【００８０】
図９および図１０を参照して、Ｎ2Ｏガス雰囲気内でアブレーションによって形成された膜は（００１）配向膜であって、Ｏ2内で形成された膜は（３１１）配向である。
【００８１】
このようにガス雰囲気によって結晶の配向が制御容易なのは、エキシマレーザのＵＶ照射の際に周囲ガスの解離を通じて生成される酸素ラジカルの活性度の違いによると考えられる。Ｎ2Ｏから生成された酸素ラジカルのエネルギは、純粋なＯ2から生成されたものよりも高く、したがって、その（００１）平面上でのＳＢＮ膜の成長に有利である。
【００８２】
このように強誘電体薄膜の配向性を制御できることは、配向性のある膜が誘電体応用に極めて望ましいことから、重要な意味を持つ。
【００８３】
さらに、ポストアニールの方法としては、ＳＢＮ膜を堆積させた基板にライト８０により熱線を照射し、この基板を真空槽１０内において酸化性ガスを導入した状態で、上述の条件にしたがって加熱処理することも可能である。
【００８４】
図１１および図１２は、以上の条件で成膜したＳＢＮ膜の、Ｐ−Ｖヒステリシス曲線を示す。
【００８５】
図１１は、Ｎ2Ｏ雰囲気で成膜し、上記の条件でランプ８０を照射しつつポストアニールを行なったものであり、図１２は、Ｏ2雰囲気で成膜し、上記の条件でランプ８０を照射しつつポストアニールを行なったものである。
【００８６】
図１３は、ランプ８０を照射しつつポストアニールを行なった前後での抵抗の温度特性の変化を示す図である。図１３は、Ｏ2雰囲気中で成膜したＳＢＮ膜の特性を示す。
【００８７】
ポストアニールにより、膜抵抗は約４倍に上昇しており、膜特性の顕著な向上が認められる。
【００８８】
［実施の形態３］
図１４は、実施の形態３の薄膜形成装置１４００の構成を説明するためのブロック図である。
【００８９】
実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成と異なる点は、ランプ８０が基板４０ではなく、ターゲット２０を照射する構成となっている点である。
【００９０】
その他の点は、実施の形態１の薄膜形成装置１０００の構成と同様であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００９１】
［ＢＳＴ膜の形成］
図１５は、薄膜形成装置１４００において、図２に示す条件で成膜を行なった場合のＢＳＴ膜の電気特性を示す図である。
【００９２】
ここで、電極面積は、０．０３１４ｍｍ2であり、膜厚は、５００ｎｍである。印加される電圧が＋５〜―５Ｖ（電界１０4ｋＶ／ｍに相当）の範囲で、リーク電流の小さな良好なＢＳＴ膜が形成されている。
【００９３】
［ＳＢＮ膜の形成］
以下では、図１４に示した実施の形態３の装置１４００を用いて、図４に示した成膜条件のうち、雰囲気ガスを変更し、かつ、成膜期間中において、以下に示すシーケンスで基板温度を段階的に変化させることとした場合の膜特性評価について説明する。
【００９４】
温度の変更シーケンスとしては、中程度の温度→高温→低温と変化させている。特に限定されないが、たとえば、５５０℃で３０分→６５０℃で３０分→５００℃で１時間というようなシーケンスである。
【００９５】
図４において、基板温度は、初期的な温度を示す。
図１６は、このようにして成膜した、異なる配向を有する２つの膜に関して、容量および誘電率（εr）の温度依存性を示す。ここで配向性が異なるのは、成長雰囲気ガスが異なるからである。（００１）配向は、Ｎ2Ｏ雰囲気で成膜したものであり、（３１１）配向は、Ｏ2雰囲気で成膜したものである。
【００９６】
誘電ミクロボロメータのためのＳＢＮ材料に関して、容量に対する温度の応答を調べるために、温度上昇に伴う容量の測定を広範囲で行なった。容量は、振幅１Ｖの１ｋＨｚの正弦波を使用して検出している。
【００９７】
２５℃の室温において、（００１）配向の膜に関する誘電率および誘電損は５００および０．０１３に等しく、これらは、（３１１）配向の膜に関する２００および０．０２の値よりも高い。誘電損が低いことは、漏れの影響が低いことを示す。εrの差は、膜内の配向の違いによる。
【００９８】
εr−Ｔ曲線は、８０℃から１２０℃の温度範囲で広く、急峻な部分を有する。（００１）配向の膜については、１２０℃あたりに誘電ピークがある。
【００９９】
（３１１）配向の膜については、１３０℃にまで温度が上昇しても誘電ピークは現われていない。それでも、εrの顕著な温度変化率（Δεr／ΔＴ）が観察される。
【０１００】
８０℃から１２０℃の温度範囲における（００１）配向および（３１１）配向の双方の膜に関する（Δεr／ΔＴ）の平均値は約１００Ｋ-1である。
【０１０１】
図１７は、このようにして成膜したＳＢＮ膜の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した場合のグレインの状態を示す概念図である。
【０１０２】
図１７によりわかるように、グレインサイズは、約２００ｎｍであり、十分に大きい。
［実施の形態４］
図１８は、実施の形態４の薄膜形成装置１６００の構成を説明するためのブロック図である。
【０１０３】
図６に示した実施の形態２の薄膜形成装置１２００の構成と異なる点は、ランプ８０が基板４０ではなく、ターゲット２０を照射する構成となっている点である。
【０１０４】
その他の点は、実施の形態２の薄膜形成装置１２００の構成と同様であるので、同一部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【０１０５】
［ＢＳＴ膜の形成］
図１９は、薄膜形成装置１６００において、図２に示す条件で成膜を行なった場合のＢＳＴ膜のＣ−Ｔ特性を示す図である。
【０１０６】
最大で、容量の温度変化は、１０％／Ｋに達している。
［実施の形態５］
図１に示した薄膜形成装置１０００で、強誘電体膜の成膜を行なう前に、以下に示す条件で、基板上に有機金属膜を塗布し、酸化性ガス雰囲気中で熱処理することによって基板上に無機膜（たとえば、ＳＯＧ膜）を形成しておくことも可能である。
【０１０７】
無機膜の成膜条件としては、３００ｒｐｍでコートし、１５０℃、３０ｍｉｎのプリベークを行なう。この条件で、約０．１μｍ無機膜がコートされる。
【０１０８】
このように無機膜を予め形成しておけば、結晶種として良好な膜を形成できる。
図２０は、このようにして形成したＢＳＴ膜の誘電特性の温度変化を示す図である。
【０１０９】
十分に大きな誘電率の温度変化と、十分に小さな誘電損を有する膜を堆積できていることが分かる。
【０１１０】
［実施の形態６］
図１４に示した実施の形態３の薄膜形成装置１４００で、強誘電体膜の成膜を行なう前に、以下に示す条件で、基板上に有機金属膜を塗布し、酸化性ガス雰囲気中で熱処理することによって基板上に無機膜を形成しておくことも可能である。
【０１１１】
この場合も、無機膜の成膜条件としては、３００ｒｐｍでコートし、１５０℃、３０ｍｉｎのプリベークを行なう。この条件で、約０．１μｍ無機膜がコートされる。このように無機膜を予め形成しておけば、結晶種として良好な膜を形成できる。
【０１１２】
図２１は、このようにして形成したＢＳＴ膜の誘電特性の温度変化を示す図である。
この場合も、十分に大きな誘電率の温度変化と、十分に小さな誘電損を有する膜を堆積できていることが分かる。
【０１１３】
以上説明してきたような本発明にかかる薄膜形成装置で形成した強誘電体薄膜を用いた赤外線検出素子により、室温動作可能で小型の赤外線イメージセンサが実現されることで、簡便な構成でサーモグラフィーを得ることができる。
【０１１４】
これは、病気の早期発見、機器の故障診断、ガス漏れ検知などの屋内での応用にとどまらず、都市や自然環境監視、火災監視、自動車用暗視野下での運転補助、構造物の非破壊診断、侵入警戒、資源探査、気象観測等の屋外での応用を含めて幅広く適用することが可能である。
【０１１５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【０１１６】
１０  真空槽、１４  ベローズ、１６  操作部、１２  ターゲット保持台、２０  ターゲット、３０  ＡｒＦエキシマレーザ、３２．１，３２．２  ミラー、３４  レンズ、３８  光学系、４０  基板、５０  基板保持台、５２  ベローズ、５４  操作部、６０  酸化性ガス導入部、７０  ヒータ、８０  ライト、１０００，１２００，１４００，１６００  薄膜形成装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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