JPH10270766A - 強誘電体薄膜素子、圧電素子及びその製造方法 - Google Patents
強誘電体薄膜素子、圧電素子及びその製造方法Info
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- JPH10270766A JPH10270766A JP9071170A JP7117097A JPH10270766A JP H10270766 A JPH10270766 A JP H10270766A JP 9071170 A JP9071170 A JP 9071170A JP 7117097 A JP7117097 A JP 7117097A JP H10270766 A JPH10270766 A JP H10270766A
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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- H10D1/60—Capacitors
- H10D1/68—Capacitors having no potential barriers
- H10D1/682—Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures
- H10D1/684—Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures the dielectrics comprising multiple layers, e.g. comprising buffer layers, seed layers or gradient layers
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板とは別個に電極を設ける必要がなく、曲
面を有する振動検出対象に対しても、好適に適応できる
可撓性を有する強誘電体薄膜素子を得る。 【解決手段】 基板表面上に、鉛、ジルコン、チタンか
ら選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
える強誘電体薄膜素子を製造する場合に、基板として、
鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種からなる特定材料
基板を使用し、この特定材料基板表面に基板材料の酸化
層を形成した後、複合酸化物薄膜を形成して、強誘電体
薄膜素子を得る。
面を有する振動検出対象に対しても、好適に適応できる
可撓性を有する強誘電体薄膜素子を得る。 【解決手段】 基板表面上に、鉛、ジルコン、チタンか
ら選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
える強誘電体薄膜素子を製造する場合に、基板として、
鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種からなる特定材料
基板を使用し、この特定材料基板表面に基板材料の酸化
層を形成した後、複合酸化物薄膜を形成して、強誘電体
薄膜素子を得る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、所謂ＰＺＴ（ジル
コン酸チタン酸鉛）を代表例とする、鉛、ジルコン、チ
タンから選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄
膜を備え、前記複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側
に基板を備えた強誘電体薄膜素子、又はこのような素子
の製造方法に関する。
コン酸チタン酸鉛）を代表例とする、鉛、ジルコン、チ
タンから選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄
膜を備え、前記複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側
に基板を備えた強誘電体薄膜素子、又はこのような素子
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】強誘電体とは、電場がなくても、物質自
身の中に平行または反平行に並んだ永久双極子によって
生じる自発分極が存在し、これが外部電場により向きを
反転できるような性質を有する物質のことである。この
性質を利用して、強誘電体材料は、焦電型赤外線検出素
子、圧電素子、電気光学効果を利用した光変調器、不揮
発性メモリー素子などの様々な電子部品に応用できる。
代表的な強誘電体の材料としては、ペロブスカイト結晶
構造の酸化物、例えば、ＰｂＺｒＴｉ 1-X Ｏ3（ＰＺ
Ｔ）、Ｐｂ1-XＬａXＴｉ1-X/4Ｏ3（ＰＬＴ）、ＰｂＴｉ
Ｏ3等が特に有名である。このような薄膜タイプの製造
にあっては、従来、Ｓｉ基板上やサファイア基板上に強
誘電体薄膜を形成する。このような基板は、導電性を有
せず、剛直なものであった。
身の中に平行または反平行に並んだ永久双極子によって
生じる自発分極が存在し、これが外部電場により向きを
反転できるような性質を有する物質のことである。この
性質を利用して、強誘電体材料は、焦電型赤外線検出素
子、圧電素子、電気光学効果を利用した光変調器、不揮
発性メモリー素子などの様々な電子部品に応用できる。
代表的な強誘電体の材料としては、ペロブスカイト結晶
構造の酸化物、例えば、ＰｂＺｒＴｉ 1-X Ｏ3（ＰＺ
Ｔ）、Ｐｂ1-XＬａXＴｉ1-X/4Ｏ3（ＰＬＴ）、ＰｂＴｉ
Ｏ3等が特に有名である。このような薄膜タイプの製造
にあっては、従来、Ｓｉ基板上やサファイア基板上に強
誘電体薄膜を形成する。このような基板は、導電性を有
せず、剛直なものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】強誘電体薄膜から電気
的出力を得る場合、強誘電体薄膜を挟む状態で、例えば
白金等の電極用薄膜を備えて素子を構成する必要があっ
た。Ｓｉを基板とし、このＳｉ基板にＰＺＴ薄膜を形成
して、このＰＺＴ薄膜から出力を得る場合の素子構造
（従来構造）を図５に示した。この素子５０は、Ｓｉ基
板５１の表面側にＴｉ層５２、Ｐｔ層５３、ＴｉＯｘ層
５４を順次形成した後、このＴｉＯｘ層５４の表面側に
ＰＺＴ層５５を形成し、さらにその表面側にＰｔ層５６
を備える。ここで、Ｔｉ層５２、Ｐｔ層５３、ＴｉＯｘ
層５４を必要とする理由は、電極としてＰｔ層５３を設
ける場合に、Ｓｉ基板５１及びＰＺＴ層５５に対するＰ
ｔ層５３の関係を、なじみ、熱膨張率等の観点から良好
なものとするためである。このようにＳｉを基板材料と
する場合は、これが非導電性のために新たな電極（上記
構造に於けるＰｔ層）を必要とするものとなり、製作に
手間が掛かり、製造コストも増加する。さらに、Ｓｉ材
料は剛直であるため、例えば、強誘電体薄膜素子を、圧
電素子として使用したい場合に、その素子の使用が平面
上に限られ、曲面上では使用しにくいという問題があ
る。即ち、従来、ＰＺＴ薄膜を備えた素子の開発が進め
られてきたが、このような素子にあっては、基板が剛の
ものであったため、可撓性を有する強誘電体薄膜素子
は、実質上、得られない。本発明の目的は、基板とは別
個に電極を設ける必要がなく、製造工程を簡略化してコ
ストを低減できる強誘電体薄膜素子を得るとともに、曲
面を有する振動検出対象に対しても、好適に適応できる
可撓性を有する強誘電体薄膜素子を得ることにある。
的出力を得る場合、強誘電体薄膜を挟む状態で、例えば
白金等の電極用薄膜を備えて素子を構成する必要があっ
た。Ｓｉを基板とし、このＳｉ基板にＰＺＴ薄膜を形成
して、このＰＺＴ薄膜から出力を得る場合の素子構造
（従来構造）を図５に示した。この素子５０は、Ｓｉ基
板５１の表面側にＴｉ層５２、Ｐｔ層５３、ＴｉＯｘ層
５４を順次形成した後、このＴｉＯｘ層５４の表面側に
ＰＺＴ層５５を形成し、さらにその表面側にＰｔ層５６
を備える。ここで、Ｔｉ層５２、Ｐｔ層５３、ＴｉＯｘ
層５４を必要とする理由は、電極としてＰｔ層５３を設
ける場合に、Ｓｉ基板５１及びＰＺＴ層５５に対するＰ
ｔ層５３の関係を、なじみ、熱膨張率等の観点から良好
なものとするためである。このようにＳｉを基板材料と
する場合は、これが非導電性のために新たな電極（上記
構造に於けるＰｔ層）を必要とするものとなり、製作に
手間が掛かり、製造コストも増加する。さらに、Ｓｉ材
料は剛直であるため、例えば、強誘電体薄膜素子を、圧
電素子として使用したい場合に、その素子の使用が平面
上に限られ、曲面上では使用しにくいという問題があ
る。即ち、従来、ＰＺＴ薄膜を備えた素子の開発が進め
られてきたが、このような素子にあっては、基板が剛の
ものであったため、可撓性を有する強誘電体薄膜素子
は、実質上、得られない。本発明の目的は、基板とは別
個に電極を設ける必要がなく、製造工程を簡略化してコ
ストを低減できる強誘電体薄膜素子を得るとともに、曲
面を有する振動検出対象に対しても、好適に適応できる
可撓性を有する強誘電体薄膜素子を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による、鉛、ジルコン、チタンから選択された
２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、このよう
な複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側に基板を備え
た強誘電体薄膜素子を構成するに、基板として、これ
が、鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種からなるもの
とするのである。この構成の強誘電体薄膜素子に於ける
強誘電体薄膜の形成にあたっては、その材料に近い組成
の薄膜層を基板上に形成できるため（例えば、基板とし
てＴｉを採用する場合、この基板表面にＴｉの酸化
層）、この酸化層の表面側になじみ、熱膨張率等の問題
を解消して、強誘電体薄膜層を形成することができる。
即ち、上記例示の場合は、ペロブスカイト構造を有し、
強誘電体としての特性を有するＰＺＴ層を成長させるこ
とができ、この点において、本願のものは、有利であ
る。さらに、この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、
基板（素子支持体）として鉛、ジルコン、チタンのいず
れか１種を採用するため、この基板自体を、少なくと
も、一方の電極として使用することができ、先に説明し
た簡素化を達成できる。
の本発明による、鉛、ジルコン、チタンから選択された
２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、このよう
な複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側に基板を備え
た強誘電体薄膜素子を構成するに、基板として、これ
が、鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種からなるもの
とするのである。この構成の強誘電体薄膜素子に於ける
強誘電体薄膜の形成にあたっては、その材料に近い組成
の薄膜層を基板上に形成できるため（例えば、基板とし
てＴｉを採用する場合、この基板表面にＴｉの酸化
層）、この酸化層の表面側になじみ、熱膨張率等の問題
を解消して、強誘電体薄膜層を形成することができる。
即ち、上記例示の場合は、ペロブスカイト構造を有し、
強誘電体としての特性を有するＰＺＴ層を成長させるこ
とができ、この点において、本願のものは、有利であ
る。さらに、この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、
基板（素子支持体）として鉛、ジルコン、チタンのいず
れか１種を採用するため、この基板自体を、少なくと
も、一方の電極として使用することができ、先に説明し
た簡素化を達成できる。
【０００５】本願に於ける、鉛、ジルコン、チタンから
選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
え、この複合酸化物薄膜の表裏面、それぞれに電極を備
え、上部電極と下部電極との間で電気的出力を得る強誘
電体薄膜素子の特徴構成は、さきに説明した上部電極と
下部電極のいずれか一方が、鉛、ジルコン、チタンのい
ずれか１種からなる基板（素子支持体）であることにあ
る。この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、強誘電体
薄膜の表面及び裏面に電極を備え、これらの電極間に於
ける薄膜の電気的特性の変化を、電極間で捕らえる構造
とされる。そして、本願のように、基板を特定材料から
なる構成とすると、この基板が有する電気伝導性を利用
して、素子出力を得ることができ、別個のＰｔ層電極等
を備える必要もなく、本願の目的に合致した素子を得る
ことができる。
選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
え、この複合酸化物薄膜の表裏面、それぞれに電極を備
え、上部電極と下部電極との間で電気的出力を得る強誘
電体薄膜素子の特徴構成は、さきに説明した上部電極と
下部電極のいずれか一方が、鉛、ジルコン、チタンのい
ずれか１種からなる基板（素子支持体）であることにあ
る。この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、強誘電体
薄膜の表面及び裏面に電極を備え、これらの電極間に於
ける薄膜の電気的特性の変化を、電極間で捕らえる構造
とされる。そして、本願のように、基板を特定材料から
なる構成とすると、この基板が有する電気伝導性を利用
して、素子出力を得ることができ、別個のＰｔ層電極等
を備える必要もなく、本願の目的に合致した素子を得る
ことができる。
【０００６】ここで、特定金属からなる基板が、可撓性
を有する薄膜（所謂、箔）であることが好ましい。本願
の金属は薄膜として形成でき、それ自体が可撓性を有す
るものを選択できるため、このような可撓性を有するも
のを、所謂、基板として採用すると、可撓性を有し、圧
電素子等として使用する場合にあって、曲面上に良好に
フィットさせて使用できる強誘電体素子を得ることがで
きる。
を有する薄膜（所謂、箔）であることが好ましい。本願
の金属は薄膜として形成でき、それ自体が可撓性を有す
るものを選択できるため、このような可撓性を有するも
のを、所謂、基板として採用すると、可撓性を有し、圧
電素子等として使用する場合にあって、曲面上に良好に
フィットさせて使用できる強誘電体素子を得ることがで
きる。
【０００７】これまで説明してきたように、基板と強誘
電体薄膜としての複合酸化物薄膜との間に、基板材料の
酸化物層が備えられていることが好ましい。基板と強誘
電体薄膜との間におけるなじみ及び熱膨張率等の適合を
良好におこなうことができるためである。
電体薄膜としての複合酸化物薄膜との間に、基板材料の
酸化物層が備えられていることが好ましい。基板と強誘
電体薄膜との間におけるなじみ及び熱膨張率等の適合を
良好におこなうことができるためである。
【０００８】これまで説明してきた複合酸化物がチタン
酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からなること
が好ましい。チタン酸ジルコン酸鉛は強誘電性材料とし
て、高い誘電性能を有するものであり、後にも示すよう
に、是に対して、Ｔｉを基板として使用することによ
り、この基板上に良好にペロブスカイト型の薄膜を形成
できるためである。
酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からなること
が好ましい。チタン酸ジルコン酸鉛は強誘電性材料とし
て、高い誘電性能を有するものであり、後にも示すよう
に、是に対して、Ｔｉを基板として使用することによ
り、この基板上に良好にペロブスカイト型の薄膜を形成
できるためである。
【０００９】さて、これまで説明してきた強誘電体薄膜
素子に、ポーリング処理を施すことが好ましい。このポ
ーリング処理により、強誘電体薄膜の分極を促して、良
好な特性の圧電素子を得ることができるからである。
素子に、ポーリング処理を施すことが好ましい。このポ
ーリング処理により、強誘電体薄膜の分極を促して、良
好な特性の圧電素子を得ることができるからである。
【００１０】これまで説明してきたような基板表面上
に、鉛、ジルコン、チタンから選択された２種以上の金
属を含む複合酸化物薄膜を備える強誘電体薄膜素子を製
造する場合にあっては、基板として、鉛、ジルコン、チ
タンのいずれか１種からなる特定材料基板を使用し、こ
の特定材料基板表面に基板材料の酸化層を形成した後、
強誘電体薄膜である複合酸化物薄膜を形成することがで
きる。
に、鉛、ジルコン、チタンから選択された２種以上の金
属を含む複合酸化物薄膜を備える強誘電体薄膜素子を製
造する場合にあっては、基板として、鉛、ジルコン、チ
タンのいずれか１種からなる特定材料基板を使用し、こ
の特定材料基板表面に基板材料の酸化層を形成した後、
強誘電体薄膜である複合酸化物薄膜を形成することがで
きる。
【００１１】この方法の場合も、前記特定材料基板が、
可撓性を有する薄膜（所謂、箔）であることが好まし
い。結果として、可撓性を有する強誘電体薄膜素子が得
られるためである。
可撓性を有する薄膜（所謂、箔）であることが好まし
い。結果として、可撓性を有する強誘電体薄膜素子が得
られるためである。
【００１２】さらに、この方法の場合も、複合酸化物が
チタン酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からな
ることが好ましい。同様に、得られた強誘電体薄膜素子
に、ポーリング処理を施すことが、圧電素子の製造上好
ましい。
チタン酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からな
ることが好ましい。同様に、得られた強誘電体薄膜素子
に、ポーリング処理を施すことが、圧電素子の製造上好
ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】本願の強誘電体薄膜素子１の構成
に関して図１を参照しながら説明する。 〔素子の構造〕図１（イ）は、本願の強誘電体薄膜素子
１の全体構成斜視図が、図１（ロ）は、素子１の厚み方
向の断面図が示されている。この素子１は、概括的には
Ｔｉ箔２上にＰＺＴ薄膜３を形成したものであり、この
Ｔｉ箔２と、ＰＺＴ薄膜３の表面側に設けられるＰｔ電
極４が本願にいう電極として働くこととなる。ここで、
実質上、Ｔｉ箔２は下部電極であり、Ｐｔ電極４は上部
電極である。さて、この素子１の構成を、さらに具体的
に各材料層との関係から図１（ロ）に基づいて説明する
と、素子１は、構造基板（素子支持体）として、厚み２
０μｍ程度のＴｉ箔２を備えている。この基板上にバッ
ファ層としてのＴｉＯ2層５を備えている。この層厚
は、０．０９μｍ程度である。次に、このバッファ層の
上部側にＰＺＴ薄膜層３が備えられている。この層厚
は、２μｍ程度である。この材料は、所謂、結晶構造と
してペロブスカイト構造を備えており、強誘電性を示
す。さらに、先に述べたように、上部電極層がＰｔ薄膜
電極４として備えられている。この層厚は、０．２４μ
ｍ程度である。
に関して図１を参照しながら説明する。 〔素子の構造〕図１（イ）は、本願の強誘電体薄膜素子
１の全体構成斜視図が、図１（ロ）は、素子１の厚み方
向の断面図が示されている。この素子１は、概括的には
Ｔｉ箔２上にＰＺＴ薄膜３を形成したものであり、この
Ｔｉ箔２と、ＰＺＴ薄膜３の表面側に設けられるＰｔ電
極４が本願にいう電極として働くこととなる。ここで、
実質上、Ｔｉ箔２は下部電極であり、Ｐｔ電極４は上部
電極である。さて、この素子１の構成を、さらに具体的
に各材料層との関係から図１（ロ）に基づいて説明する
と、素子１は、構造基板（素子支持体）として、厚み２
０μｍ程度のＴｉ箔２を備えている。この基板上にバッ
ファ層としてのＴｉＯ2層５を備えている。この層厚
は、０．０９μｍ程度である。次に、このバッファ層の
上部側にＰＺＴ薄膜層３が備えられている。この層厚
は、２μｍ程度である。この材料は、所謂、結晶構造と
してペロブスカイト構造を備えており、強誘電性を示
す。さらに、先に述べたように、上部電極層がＰｔ薄膜
電極４として備えられている。この層厚は、０．２４μ
ｍ程度である。
【００１４】〔素子の製造〕素子１の製造にあたって
は、次のような手順を採用する。 １） ５０ｍｍ×２０ｍｍ×２０μｍ（ｔ）のＴｉ箔２
を沸騰アセトンで１５分、さらに沸騰ｉ−プロパノール
で１５分洗浄後、１２時間１００℃で乾燥する。この洗
浄済Ｔｉ箔が本願素子の構造基板となる。素子の形成に
あたっては、直径１０ｍｍ程度にして使用する。薄膜形
成にあたっては、所謂、ＭＯＣＶＤ法（プラズマ装置を
備えない単純なＭＯＣＶＤ装置による）を採用する。Ｍ
ＯＣＶＤをおこなう場合の設定は、以下のとおりとし
た。 イ） 反応室内圧力３００Ｐａ、基板温度は４５０℃ ロ） 原料ガスは、Ｐｂ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2)2、Ｚｒ（ｔ−
ＯＣ4Ｈ9)4、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7)4とし、それぞれのシ
リンダ温度は、記載順に１３５℃、３５℃、４６℃に設
定した。 ハ） キャリアガスならびにディリューエントガスは窒
素とした。
は、次のような手順を採用する。 １） ５０ｍｍ×２０ｍｍ×２０μｍ（ｔ）のＴｉ箔２
を沸騰アセトンで１５分、さらに沸騰ｉ−プロパノール
で１５分洗浄後、１２時間１００℃で乾燥する。この洗
浄済Ｔｉ箔が本願素子の構造基板となる。素子の形成に
あたっては、直径１０ｍｍ程度にして使用する。薄膜形
成にあたっては、所謂、ＭＯＣＶＤ法（プラズマ装置を
備えない単純なＭＯＣＶＤ装置による）を採用する。Ｍ
ＯＣＶＤをおこなう場合の設定は、以下のとおりとし
た。 イ） 反応室内圧力３００Ｐａ、基板温度は４５０℃ ロ） 原料ガスは、Ｐｂ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2)2、Ｚｒ（ｔ−
ＯＣ4Ｈ9)4、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7)4とし、それぞれのシ
リンダ温度は、記載順に１３５℃、３５℃、４６℃に設
定した。 ハ） キャリアガスならびにディリューエントガスは窒
素とした。
【００１５】成膜手順は以下の様にした。 １） Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3Ｈ7)4由来のＴｉのみを、基板を
設置した反応室（図外）内に、最初にキャリアガス５Ｃ
ＣＭ、ディリューエントガス５５ｃｃｍで２分流した。
この処理により、Ｔｉ箔表面にＴｉＯ2層を形成した。 ２） 次に、引き続いて、先に述べた全原料から、Ｐ
ｂ、Ｚｒ、Ｔｉを同時に下記の条件で供給した。
設置した反応室（図外）内に、最初にキャリアガス５Ｃ
ＣＭ、ディリューエントガス５５ｃｃｍで２分流した。
この処理により、Ｔｉ箔表面にＴｉＯ2層を形成した。 ２） 次に、引き続いて、先に述べた全原料から、Ｐ
ｂ、Ｚｒ、Ｔｉを同時に下記の条件で供給した。
【００１６】
【表１】 物質名 供給量 供給量 Ｐｂ：キャリアガス７ＣＣＭ，ディリューエントガス３８ＣＣＭ Ｚｒ：キャリアガス４ＣＣＭ，ディリューエントガス４１ＣＣＭ Ｔｉ：キャリアガス５ＣＣＭ，ディリューエントガス４０ＣＣＭ
【００１７】以上の条件で、４時間成膜をおこなって、
ＰＺＴ薄膜３を得ることができた。成膜された構造物性
は、以下の通りである。
ＰＺＴ薄膜３を得ることができた。成膜された構造物性
は、以下の通りである。
【００１８】
【表２】エリプソメータにより測定された膜厚：２０２
１０Å ＥＤＸにより測定された膜組成：Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝
１：０．６６：０．８１
１０Å ＥＤＸにより測定された膜組成：Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝
１：０．６６：０．８１
【００１９】ＸＲＤにより測定されたｘ線回折パターン
を図２に示した。同図からも判明するように、得られた
ものは、ペロブスカイト結晶構造の（００１）、（１１
０）、（００２）の反射、及びその高次の反射が主に見
られた。
を図２に示した。同図からも判明するように、得られた
ものは、ペロブスカイト結晶構造の（００１）、（１１
０）、（００２）の反射、及びその高次の反射が主に見
られた。
【００２０】上記のようにして得られた強誘電体薄膜素
子の電気的特性は、以下のようであった。
子の電気的特性は、以下のようであった。
【００２１】
【表３】 誘電率 εｒ ：７２６ 誘電損失 ｔａｎδａｔ１００ｋＨＺ：１３５×１０-4 残留分極 ：０．０３×１０-6Ｃ／ｃｍ2 このときの成膜直後の圧電定数ｈは、−１．２１×１０
8Ｖ／ｍであった。
8Ｖ／ｍであった。
【００２２】さらに、このようにして得られた強誘電体
薄膜素子１にポーリング処理を施した。２０×１０6Ｖ
／ｍ（膜厚２μｍに対し４０Ｖの直流電圧を上部、下部
電極間に大気中常温下でかける）でポーリング処理した
後の圧電定数ｈは、６．１７×１０8Ｖ／ｍになった。
薄膜素子１にポーリング処理を施した。２０×１０6Ｖ
／ｍ（膜厚２μｍに対し４０Ｖの直流電圧を上部、下部
電極間に大気中常温下でかける）でポーリング処理した
後の圧電定数ｈは、６．１７×１０8Ｖ／ｍになった。
【００２３】上記の圧電定数ｈの測定にあたって採用し
た手法に関して図面、下記の数式に基づいて説明する。
測定にあたっては、図３（イ）に示すような片持ち構成
の測定装置３０を構築し、素子に強制変位を与え、その
電圧出力をモニタすることで、数１に示す数式に基づい
て圧電定数ｈを算出した。なお、測定にあたっては、測
定用試料（サンプル）３１を、５ｍｍ×５ｍｍに切り出
し、上部のＰｔスパッタ層４を上部電極３２とした。だ
たし、図３では理解を容易にするために上部電極は小さ
く描いている。測定装置１の概略を図３（イ）について
説明すると、装置１は、測定対象である素子（測定用試
料３１）を固定台３８に片持ち構成で支持できるように
構成されており、非固定側の素子端部３１ａを、モータ
３３により回転駆動されるカム３４により、周期的な撓
み変形（曲げ）を付与できるように構成されている。一
方、素子からの出力及び素子の変形に関しては、素子か
らの圧電効果による電気的出力が上部電極３２（Ｐｔス
パッタ層）及び下部電極３５（これは本願の場合、素子
基板であるＴｉ箔２）からオシロスコープ３６によって
表示できるように、さらに、素子の撓みを計測する光変
位計３７を素子の所定部位３７ｂに対して設置し、この
出力も先のオシロスコープ３６に導いて表示、検出でき
るように構成した。図４にオシロスコープ３６の表示画
面を示した。素子からの電気的出力を実線（Ｖで示す）
で、光変位計からの出力を破線（ζ0で示す）で示し
た。機械的な撓みを良好に代表できていることが判る。
次に圧電定数ｈの導出に関して説明する。上記の測定装
置１に於ける測定系の構成を模式的に図３（ロ）に示し
た。各符号の説明は、同図と、以下に示す式の符号の説
明に示した。ここで、入力定数とは系の構成から予め判
明している定数であり、近似定数は、圧電定数ｈの導出
に必要な定数の近似値である。圧電定数ｈは以下の式に
基づいて求めるものとした。
た手法に関して図面、下記の数式に基づいて説明する。
測定にあたっては、図３（イ）に示すような片持ち構成
の測定装置３０を構築し、素子に強制変位を与え、その
電圧出力をモニタすることで、数１に示す数式に基づい
て圧電定数ｈを算出した。なお、測定にあたっては、測
定用試料（サンプル）３１を、５ｍｍ×５ｍｍに切り出
し、上部のＰｔスパッタ層４を上部電極３２とした。だ
たし、図３では理解を容易にするために上部電極は小さ
く描いている。測定装置１の概略を図３（イ）について
説明すると、装置１は、測定対象である素子（測定用試
料３１）を固定台３８に片持ち構成で支持できるように
構成されており、非固定側の素子端部３１ａを、モータ
３３により回転駆動されるカム３４により、周期的な撓
み変形（曲げ）を付与できるように構成されている。一
方、素子からの出力及び素子の変形に関しては、素子か
らの圧電効果による電気的出力が上部電極３２（Ｐｔス
パッタ層）及び下部電極３５（これは本願の場合、素子
基板であるＴｉ箔２）からオシロスコープ３６によって
表示できるように、さらに、素子の撓みを計測する光変
位計３７を素子の所定部位３７ｂに対して設置し、この
出力も先のオシロスコープ３６に導いて表示、検出でき
るように構成した。図４にオシロスコープ３６の表示画
面を示した。素子からの電気的出力を実線（Ｖで示す）
で、光変位計からの出力を破線（ζ0で示す）で示し
た。機械的な撓みを良好に代表できていることが判る。
次に圧電定数ｈの導出に関して説明する。上記の測定装
置１に於ける測定系の構成を模式的に図３（ロ）に示し
た。各符号の説明は、同図と、以下に示す式の符号の説
明に示した。ここで、入力定数とは系の構成から予め判
明している定数であり、近似定数は、圧電定数ｈの導出
に必要な定数の近似値である。圧電定数ｈは以下の式に
基づいて求めるものとした。
【００２４】
【数１】
【００２５】さらに、上記と同様な手法で、Ｔｉ箔２上
にＰＺＴ薄膜３を形成する場合における成膜条件、ポー
リング処理条件を変化させた実験をおこなった。得られ
たＰＺＴ薄膜３の膜厚、組成、電気的特性及びポーリン
グ印加電界量を表４に示した。同表において、成膜条件
に関しては、成膜時の基板温度℃、シリンダ温度
（℃）、キャリアガス流量（ＣＣＭ）、展開ガス流量
（ＣＣＭ）を示した。成膜室の圧力に関しては、上記の
例と同様にした。また、流量の項において、「初」と記
載したのは、Ｔｉの酸化層を形成する場合の流量を示
し、「後」と記載したのは、ＰＺＴ薄膜の成膜時の流量
を示している。電気的特性としては、誘電率εｒ、誘電
損失ｔａｎδａｔ１００ｋＨＺ、残留分極、圧電定数ｈ
（ポーリング処理前（成膜そのまま）とポーリング処理
後のもの）を示した。
にＰＺＴ薄膜３を形成する場合における成膜条件、ポー
リング処理条件を変化させた実験をおこなった。得られ
たＰＺＴ薄膜３の膜厚、組成、電気的特性及びポーリン
グ印加電界量を表４に示した。同表において、成膜条件
に関しては、成膜時の基板温度℃、シリンダ温度
（℃）、キャリアガス流量（ＣＣＭ）、展開ガス流量
（ＣＣＭ）を示した。成膜室の圧力に関しては、上記の
例と同様にした。また、流量の項において、「初」と記
載したのは、Ｔｉの酸化層を形成する場合の流量を示
し、「後」と記載したのは、ＰＺＴ薄膜の成膜時の流量
を示している。電気的特性としては、誘電率εｒ、誘電
損失ｔａｎδａｔ１００ｋＨＺ、残留分極、圧電定数ｈ
（ポーリング処理前（成膜そのまま）とポーリング処理
後のもの）を示した。
【００２６】
【表４】
【００２７】同表に示したものは、全て、可撓性を有す
るＴｉ箔上に形成されたものであり、誘電特性を有する
薄膜素子となっている。さらに、基板であるＴｉ箔が一
方の電極としての役割を果たす。比較のために、バルク
状のＰＺＴからなる素子の電気的特性は、誘電率εｒに
関して１０００程度、圧電定数ｈに関して７００（ＭＶ
／ｍ）程度であり、本願のものが、バルクに対して優れ
ていることが判る。また、ポーリング処理の効果は大き
い。この素子を圧電素子として利用する場合、基板温度
として４１０〜４９０℃での成膜が好ましい。この温度
範囲を外れると圧電定数ｅ（Ｃ2／ｍ）は、低くなりや
すい。一方、この温度範囲を、４３５〜４８５℃に設定
すると、圧電定数ｅ（Ｃ2／ｍ）が、高いものを得るこ
とができ、さらに好ましい。
るＴｉ箔上に形成されたものであり、誘電特性を有する
薄膜素子となっている。さらに、基板であるＴｉ箔が一
方の電極としての役割を果たす。比較のために、バルク
状のＰＺＴからなる素子の電気的特性は、誘電率εｒに
関して１０００程度、圧電定数ｈに関して７００（ＭＶ
／ｍ）程度であり、本願のものが、バルクに対して優れ
ていることが判る。また、ポーリング処理の効果は大き
い。この素子を圧電素子として利用する場合、基板温度
として４１０〜４９０℃での成膜が好ましい。この温度
範囲を外れると圧電定数ｅ（Ｃ2／ｍ）は、低くなりや
すい。一方、この温度範囲を、４３５〜４８５℃に設定
すると、圧電定数ｅ（Ｃ2／ｍ）が、高いものを得るこ
とができ、さらに好ましい。
【００２８】〔その他の実施例〕 （イ） 上記の実施の形態にあっては、強誘電体薄膜と
してＰＺＴについて説明したが、本願の対象は、鉛、ジ
ルコン、チタンから選択された２種以上の金属を含むペ
ロブスカイト型構造の複合酸化物薄膜であれば、本願構
成を採用できる。 （ロ） 上記の実施の形態にあっては、基板（素子支持
体）としてＴｉ箔を使用する場合を説明したが、材料的
には、鉛、ジルコン等も使用可能であり、箔とされるも
のであれば、可撓性の付与の点で好ましい。このような
箔（薄膜）の厚みは０．１〜５０μｍ（さらに好ましく
は１０〜５０μｍ）が好適である。 （ハ） 本願のように、基板を電極とする場合、この基
板は一方の電極とされればよく、上部電極、下部電極、
いずれとなる場合を問うものではない。 （ニ） 上記の実施の形態においては、薄膜製造手法と
して、ＭＯＣＶＤ法を採用したが、スパッタリング法、
レーザーアブレーション法、プレズマスプレー法等も使
用できる。
してＰＺＴについて説明したが、本願の対象は、鉛、ジ
ルコン、チタンから選択された２種以上の金属を含むペ
ロブスカイト型構造の複合酸化物薄膜であれば、本願構
成を採用できる。 （ロ） 上記の実施の形態にあっては、基板（素子支持
体）としてＴｉ箔を使用する場合を説明したが、材料的
には、鉛、ジルコン等も使用可能であり、箔とされるも
のであれば、可撓性の付与の点で好ましい。このような
箔（薄膜）の厚みは０．１〜５０μｍ（さらに好ましく
は１０〜５０μｍ）が好適である。 （ハ） 本願のように、基板を電極とする場合、この基
板は一方の電極とされればよく、上部電極、下部電極、
いずれとなる場合を問うものではない。 （ニ） 上記の実施の形態においては、薄膜製造手法と
して、ＭＯＣＶＤ法を採用したが、スパッタリング法、
レーザーアブレーション法、プレズマスプレー法等も使
用できる。
【図１】本願の強誘電体薄膜素子の構成を示す図
【図２】強誘電体薄膜のＸ線回折パターンを示す図
【図３】強誘電体薄膜素子の特性試験装置を示す図
【図４】素子の出力電圧と光変位計の撓み信号との関係
を示す図
を示す図
【図５】従来構成の強誘電体薄膜素子の断面構成を示す
図
図
１ 強誘電体薄膜素子 ２ Ｔｉ箔（基板） ３ ＰＺＴ薄膜（強誘電体薄膜） ５ ＴｉＯ2層（基板材料の酸化物層）
Claims (10)
- 【請求項１】 鉛、ジルコン、チタンから選択された２
種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、前記複合酸
化物薄膜の表裏面のいずれかの側に基板を備えた強誘電
体薄膜素子であって、 前記基板が、鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種から
なる強誘電体薄膜素子。 - 【請求項２】 鉛、ジルコン、チタンから選択された２
種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、前記複合酸
化物薄膜の表裏面、それぞれに電極を備え、上部電極と
下部電極との間で電気的出力を得る強誘電体薄膜素子で
あって、前記上部電極と下部電極のいずれか一方が、
鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種からなる基板であ
る強誘電体薄膜素子。 - 【請求項３】 前記基板が、可撓性を有する薄膜である
請求項１または２記載の強誘電体薄膜素子。 - 【請求項４】 前記基板と前記複合酸化物薄膜との間に
基板材料の酸化物層が備えられている請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の強誘電体薄膜素子。 - 【請求項５】 前記複合酸化物がチタン酸ジルコン酸鉛
であり、前記基板がチタン材料からなる請求項１〜４の
いずれか１項に記載の強誘電体薄膜素子。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の強
誘電体薄膜素子に、ポーリング処理を施して得られる圧
電素子。 - 【請求項７】 基板表面上に、鉛、ジルコン、チタンか
ら選択された２種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
える強誘電体薄膜素子の製造方法であって、 前記基板として、鉛、ジルコン、チタンのいずれか１種
からなる特定材料基板を使用し、前記特定材料基板表面
に基板材料の酸化層を形成した後、前記複合酸化物薄膜
を形成する強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項８】 前記特定材料基板が、可撓性を有する薄
膜である請求項７記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項９】 前記複合酸化物がチタン酸ジルコン酸鉛
であり、前記基板がチタン材料からなる請求項７、８に
記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項１０】 請求項７〜９のいずれか１項に記載の
強誘電体薄膜素子の製造方法により製造された強誘電体
薄膜素子に、ポーリング処理を施す圧電素子の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9071170A JPH10270766A (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 強誘電体薄膜素子、圧電素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9071170A JPH10270766A (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 強誘電体薄膜素子、圧電素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10270766A true JPH10270766A (ja) | 1998-10-09 |
Family
ID=13452926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9071170A Pending JPH10270766A (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 強誘電体薄膜素子、圧電素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10270766A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002055116A (ja) * | 2000-08-10 | 2002-02-20 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | フレキシブル高感度セラミックスセンサー |
| WO2001067465A3 (en) * | 2000-03-04 | 2002-02-28 | Energenius Inc | Lead zirconate titanate dielectric thin film composites on metallic foils |
| JP2006093633A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Horiba Ltd | 製膜条件特定方法、製膜方法、及び膜体製造方法 |
| DE102022132815A1 (de) * | 2022-12-09 | 2024-06-20 | Tdk Electronics Ag | Substrat für einen keramischen Dünnfilm und Dünnfilmvorrichtung |
-
1997
- 1997-03-25 JP JP9071170A patent/JPH10270766A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001067465A3 (en) * | 2000-03-04 | 2002-02-28 | Energenius Inc | Lead zirconate titanate dielectric thin film composites on metallic foils |
| JP2002055116A (ja) * | 2000-08-10 | 2002-02-20 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | フレキシブル高感度セラミックスセンサー |
| JP2006093633A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Horiba Ltd | 製膜条件特定方法、製膜方法、及び膜体製造方法 |
| DE102022132815A1 (de) * | 2022-12-09 | 2024-06-20 | Tdk Electronics Ag | Substrat für einen keramischen Dünnfilm und Dünnfilmvorrichtung |
| DE102022132815B4 (de) * | 2022-12-09 | 2025-02-06 | Tdk Electronics Ag | Substrat für einen keramischen Dünnfilm und Dünnfilmvorrichtung |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040907 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060622 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061012 |