JPH05347438A - 強誘電体薄膜素子 - Google Patents
強誘電体薄膜素子Info
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- JPH05347438A JPH05347438A JP3144193A JP14419391A JPH05347438A JP H05347438 A JPH05347438 A JP H05347438A JP 3144193 A JP3144193 A JP 3144193A JP 14419391 A JP14419391 A JP 14419391A JP H05347438 A JPH05347438 A JP H05347438A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、結晶粒界がなく電気分極の電界依
存性においてヒステリシス特性を有する強誘電体薄膜を
製膜中の下地温度あるいは製膜後の熱処理温度において
５００℃以下の温度で容易に作製でき、圧電体素子、電
気光学素子などに用いることができる強誘電体薄膜素子
を提供する。 【構成】 電気分極の電界依存性においてヒステリシス
特性を有するアモルファス強誘電体膜を有することを特
徴とする。
存性においてヒステリシス特性を有する強誘電体薄膜を
製膜中の下地温度あるいは製膜後の熱処理温度において
５００℃以下の温度で容易に作製でき、圧電体素子、電
気光学素子などに用いることができる強誘電体薄膜素子
を提供する。 【構成】 電気分極の電界依存性においてヒステリシス
特性を有するアモルファス強誘電体膜を有することを特
徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はアモルファス強誘電体薄
膜を有する強誘電体薄膜素子に関する。
膜を有する強誘電体薄膜素子に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】一般に強誘電体化合物
は、その圧電性を利用して、圧電フィルターや振動子な
ど電気部品に広く使われている。又、電気光学効果を利
用したレーザの変調素子や光シャッターにも応用されて
おり、強誘電体化合物の実用面の応用範囲は広い。これ
らの圧電性や電気光学特性を応用した素子においては素
子の小型化、高周波への対応、さらには最近の光ＩＣや
半導体ＩＣとの組み合わせへの応用を考えると、強誘電
体化合物が薄膜化できることが望ましい。このような要
請に対して、従来は多結晶ならびに単結晶の種々強誘電
体薄膜が作製され応用への可能性が検討されてきた。し
かしながら、多結晶薄膜においてはこれを圧電素子に応
用した場合には電界の周期的な印加によって強誘電体の
圧電特性に基づく変形を繰り返し、多結晶薄膜の粒界付
近から膜が破壊しやすいとか、あるいは弾性波の導波路
にとして用いた場合には粒界による弾性波の散乱のため
に弾性波の位相が乱されるというような問題があった。
また、多結晶の強誘電性薄膜を電気光学素子に応用する
場合には粒界による光散乱により、光の透過率が小さく
なるとか、光の位相や偏光面が乱されるという問題があ
った。このような多結晶薄膜に於ける問題に対処するた
めに、種々誘電性薄膜の単結晶化が試みられた。たとえ
ば、西原、春名、栖原著：光集積回路（オーム社、昭和
62年）174 頁によれば、強誘電性材料として良く知られ
ているPLZTの単結晶薄膜を作製した例が記述されてい
る。同書によれば、単結晶のPLZT薄膜を得るために、サ
ファイヤの単結晶基板にスパッタリング製膜法によって
エピタキシャル成長を行なわせている。このほかに、同
書には液相エピタキシャル成長法（LPE 法）によって強
誘電性のLiNbO3薄膜などをGd3Ga5O12(GGG)単結晶基板上
に成長させた例などが有る。しかしながら、何れの方法
も基板に高価な単結晶基板を使用し、エピタキシャル成
長のために、種々の条件コントロールを厳しく制御しな
ければならず、また結晶の成長する結晶軸が単結晶の方
位に規制され、さらに単結晶基板の格子定数と薄膜の格
子定数の差があまり大きくなると単結晶薄膜の成長が困
難になるなど、実際の薄膜作製は容易なものではなく、
単結晶薄膜の製作コストは非常に高いものとなる。さら
に、強誘電性の多結晶薄膜にしても、あるいは単結晶薄
膜にしても、薄膜に強誘電特性を発現させるために５０
０〜６００℃以上の高い熱処理温度を必要とする。この
熱処理によって薄膜の表面性が損なわれ、さらにはこの
ような高い熱処理温度ではSi, As, Gaなどの半導体元素
が相互拡散を生じるために光ＩＣ,半導体ＩＣと強誘電
体薄膜素子の複合化は極めて困難であると考えられる。
は、その圧電性を利用して、圧電フィルターや振動子な
ど電気部品に広く使われている。又、電気光学効果を利
用したレーザの変調素子や光シャッターにも応用されて
おり、強誘電体化合物の実用面の応用範囲は広い。これ
らの圧電性や電気光学特性を応用した素子においては素
子の小型化、高周波への対応、さらには最近の光ＩＣや
半導体ＩＣとの組み合わせへの応用を考えると、強誘電
体化合物が薄膜化できることが望ましい。このような要
請に対して、従来は多結晶ならびに単結晶の種々強誘電
体薄膜が作製され応用への可能性が検討されてきた。し
かしながら、多結晶薄膜においてはこれを圧電素子に応
用した場合には電界の周期的な印加によって強誘電体の
圧電特性に基づく変形を繰り返し、多結晶薄膜の粒界付
近から膜が破壊しやすいとか、あるいは弾性波の導波路
にとして用いた場合には粒界による弾性波の散乱のため
に弾性波の位相が乱されるというような問題があった。
また、多結晶の強誘電性薄膜を電気光学素子に応用する
場合には粒界による光散乱により、光の透過率が小さく
なるとか、光の位相や偏光面が乱されるという問題があ
った。このような多結晶薄膜に於ける問題に対処するた
めに、種々誘電性薄膜の単結晶化が試みられた。たとえ
ば、西原、春名、栖原著：光集積回路（オーム社、昭和
62年）174 頁によれば、強誘電性材料として良く知られ
ているPLZTの単結晶薄膜を作製した例が記述されてい
る。同書によれば、単結晶のPLZT薄膜を得るために、サ
ファイヤの単結晶基板にスパッタリング製膜法によって
エピタキシャル成長を行なわせている。このほかに、同
書には液相エピタキシャル成長法（LPE 法）によって強
誘電性のLiNbO3薄膜などをGd3Ga5O12(GGG)単結晶基板上
に成長させた例などが有る。しかしながら、何れの方法
も基板に高価な単結晶基板を使用し、エピタキシャル成
長のために、種々の条件コントロールを厳しく制御しな
ければならず、また結晶の成長する結晶軸が単結晶の方
位に規制され、さらに単結晶基板の格子定数と薄膜の格
子定数の差があまり大きくなると単結晶薄膜の成長が困
難になるなど、実際の薄膜作製は容易なものではなく、
単結晶薄膜の製作コストは非常に高いものとなる。さら
に、強誘電性の多結晶薄膜にしても、あるいは単結晶薄
膜にしても、薄膜に強誘電特性を発現させるために５０
０〜６００℃以上の高い熱処理温度を必要とする。この
熱処理によって薄膜の表面性が損なわれ、さらにはこの
ような高い熱処理温度ではSi, As, Gaなどの半導体元素
が相互拡散を生じるために光ＩＣ,半導体ＩＣと強誘電
体薄膜素子の複合化は極めて困難であると考えられる。
【０００４】
【発明の目的】本発明は、前記問題点を解決し、結晶粒
界がなく電気分極の電界依存性においてヒステリシス特
性を有する強誘電体薄膜を製膜中の下地温度あるいは製
膜後の熱処理温度において５００℃以下の温度で容易に
作製でき、圧電体素子、電気光学素子などに用いること
ができる強誘電体薄膜素子を提供することを目的とす
る。
界がなく電気分極の電界依存性においてヒステリシス特
性を有する強誘電体薄膜を製膜中の下地温度あるいは製
膜後の熱処理温度において５００℃以下の温度で容易に
作製でき、圧電体素子、電気光学素子などに用いること
ができる強誘電体薄膜素子を提供することを目的とす
る。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】本発明は、電気分極の
電界依存性においてヒステリシス特性を有するアモルフ
ァス強誘電体薄膜を有することを特徴とする強誘電体薄
膜素子に関する。本発明におけるアモルファス強誘電体
薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法などの製膜手段
を用いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持しな
がら非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの状
態か、あるいは５００℃以下の温度で熱処理を施すこと
によって得られる。このようにして得られるアモルファ
ス強誘電体薄膜は、電気分極の電界依存性においてヒス
テリシス特性を有する。アモルファス強誘電体薄膜とし
ては、前記製法により得られるものであれば、特に制限
はないが、例えば、Fe2O3-Bi2O3-ABO3（ペロブスカイト
型化合物）を主成分とした三元酸化物系薄膜が挙げられ
る。ABO3はPbTiO3, PbZrO3, BaTiO3などの強誘電性、反
強誘電性材料である。本発明の強誘電体薄膜素子は、強
誘電体薄膜がアモルファス構造を有するために結晶粒界
が存在しない。これにより、アモルファス強誘電体薄膜
を圧電性素子に応用する場合には耐久性が高く、さら
に、粒界に於ける表面弾性波の散乱が発生しないので、
表面弾性波フィルターなどの周波数選択性が向上すると
考えられる。また、電気光学素子にアモルファス強誘電
体薄膜を応用した場合においても結晶粒界における光散
乱が発生しないために、光透過性の高い、光学モードを
乱さない強誘電体薄膜素子の形成が可能となる。さら
に、アモルファス強誘電体薄膜は強誘電性特性の発現の
ために５００℃以上の温度を薄膜の形成プロセスあるい
は形成後の熱処理において必要としないために薄膜の表
面性の低下がなく、さらに半導体素子との複合化を図っ
た場合の半導体原子の相互拡散も発生しないので強誘電
体薄膜素子と光ＩＣや半導体ＩＣとの組み合わせも容易
に行なえる。
電界依存性においてヒステリシス特性を有するアモルフ
ァス強誘電体薄膜を有することを特徴とする強誘電体薄
膜素子に関する。本発明におけるアモルファス強誘電体
薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法などの製膜手段
を用いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持しな
がら非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの状
態か、あるいは５００℃以下の温度で熱処理を施すこと
によって得られる。このようにして得られるアモルファ
ス強誘電体薄膜は、電気分極の電界依存性においてヒス
テリシス特性を有する。アモルファス強誘電体薄膜とし
ては、前記製法により得られるものであれば、特に制限
はないが、例えば、Fe2O3-Bi2O3-ABO3（ペロブスカイト
型化合物）を主成分とした三元酸化物系薄膜が挙げられ
る。ABO3はPbTiO3, PbZrO3, BaTiO3などの強誘電性、反
強誘電性材料である。本発明の強誘電体薄膜素子は、強
誘電体薄膜がアモルファス構造を有するために結晶粒界
が存在しない。これにより、アモルファス強誘電体薄膜
を圧電性素子に応用する場合には耐久性が高く、さら
に、粒界に於ける表面弾性波の散乱が発生しないので、
表面弾性波フィルターなどの周波数選択性が向上すると
考えられる。また、電気光学素子にアモルファス強誘電
体薄膜を応用した場合においても結晶粒界における光散
乱が発生しないために、光透過性の高い、光学モードを
乱さない強誘電体薄膜素子の形成が可能となる。さら
に、アモルファス強誘電体薄膜は強誘電性特性の発現の
ために５００℃以上の温度を薄膜の形成プロセスあるい
は形成後の熱処理において必要としないために薄膜の表
面性の低下がなく、さらに半導体素子との複合化を図っ
た場合の半導体原子の相互拡散も発生しないので強誘電
体薄膜素子と光ＩＣや半導体ＩＣとの組み合わせも容易
に行なえる。
【０００６】
【実施例】以下、実施例により本発明を詳述する。 実施例１ 薄膜作製にはRFマグネトロンスパッタリング装置を用
い、カソード板上に直径76mm、深さ４mmのステンレス製
シャーレを置き、その中に、Bi2O3, Fe2O3, PbTiO3及び
PbO の混合粉末を充填したものをターゲットとして用い
た。なお、PbOはスパッタ中、鉛の蒸発による損失を補
填する目的でPbTiO3に対し、5mol％過剰に加えた。ま
た、スパッタリングターゲットの組成はBi2O3:Fe2O3:Pb
TiO3=0.40:0.30:0.30 とした。Bi2O3, Fe2O3, PbTiO3及
びPbO の各粉末はステンレス製のシャーレに充填するに
先立ち、各酸化物材料の粉末を調合したものをエタノー
ルを溶媒として30分間ペイントシェーカーにより、湿式
混合を行なった。その後、さらに、脱媒、乾燥後、ステ
ンレス製シャーレに充填し、スパッタリングターゲット
として使用した。スパッタガスはAr:O2=7:3 の混合ガス
で、Ar, O2それぞれのガスの純度は99.995％以上のもの
を使用した。基板には(111) 方位のSiウエハーを使用し
た。Siウエハーはｎ型であり、抵抗率はおよそ1(Ωcm)
の物を使用した。Siウエハー上には予め酸化処理によ
り、膜厚 200±20nmのSiO2層を設けている。この層を設
けた目的は主として誘電性の評価時における電気絶縁性
の確保のためである。製膜に先だって基板温度を２００
℃まで上昇させ、主に基板表面に吸着している水分の脱
離処理を行なった。さらに、製膜前に約30分ほどプリス
パッタリングを行ない、ターゲット表面の清浄化を図
り、スパッタリング製膜時における膜質と薄膜組成の安
定化を図った。スパッタリングガス導入前、真空度が２
×10-7Torr以下に到達していることを確認した。スパッ
タ製膜中、全ガス圧は25mTorr と一定にした。スパッタ
リング中は基板を固定している銅製のアノードを水冷
し、製膜中の基板温度を20〜25℃に維持した。高周波投
入電力は110Wとし、30〜60分のスパッタリング製膜を行
なった。このようにして得られた薄膜は 500 nm の膜厚
を示した。このようにして得られた薄膜のＸ線回折図形
を図１に示す。同図より明らかなように下地基板のSiの
(111) 面からの以外には回折ピークが認められず薄膜が
アモルファス構造を有していることが解かる。したがっ
て、圧電素子、電気光学素子における結晶粒界の存在に
よる特性劣化の要因を排除できるために良特性のこれら
素子が提供できると考えられる。また、上記強誘電性薄
膜の電束密度の電界依存性を図２に示した。同図より明
らかなように誘電性においてヒステリシスループが認め
られ同系薄膜が強誘電性を呈していることが解かる。さ
らに、既に説明した製膜法によりSi基板をガラス基板に
かえて、薄膜を作製した。ガラス基板にはコーニングの
No.7059 を使用した。何れの薄膜も近赤外領域では、反
射防止膜を施し、光透過率の測定を行なった。光の波長
が1000nmよりも長波長領域において90％以上の光透過率
を有し、同薄膜の電気光学素子への応用が考えられるこ
とが解かった。
い、カソード板上に直径76mm、深さ４mmのステンレス製
シャーレを置き、その中に、Bi2O3, Fe2O3, PbTiO3及び
PbO の混合粉末を充填したものをターゲットとして用い
た。なお、PbOはスパッタ中、鉛の蒸発による損失を補
填する目的でPbTiO3に対し、5mol％過剰に加えた。ま
た、スパッタリングターゲットの組成はBi2O3:Fe2O3:Pb
TiO3=0.40:0.30:0.30 とした。Bi2O3, Fe2O3, PbTiO3及
びPbO の各粉末はステンレス製のシャーレに充填するに
先立ち、各酸化物材料の粉末を調合したものをエタノー
ルを溶媒として30分間ペイントシェーカーにより、湿式
混合を行なった。その後、さらに、脱媒、乾燥後、ステ
ンレス製シャーレに充填し、スパッタリングターゲット
として使用した。スパッタガスはAr:O2=7:3 の混合ガス
で、Ar, O2それぞれのガスの純度は99.995％以上のもの
を使用した。基板には(111) 方位のSiウエハーを使用し
た。Siウエハーはｎ型であり、抵抗率はおよそ1(Ωcm)
の物を使用した。Siウエハー上には予め酸化処理によ
り、膜厚 200±20nmのSiO2層を設けている。この層を設
けた目的は主として誘電性の評価時における電気絶縁性
の確保のためである。製膜に先だって基板温度を２００
℃まで上昇させ、主に基板表面に吸着している水分の脱
離処理を行なった。さらに、製膜前に約30分ほどプリス
パッタリングを行ない、ターゲット表面の清浄化を図
り、スパッタリング製膜時における膜質と薄膜組成の安
定化を図った。スパッタリングガス導入前、真空度が２
×10-7Torr以下に到達していることを確認した。スパッ
タ製膜中、全ガス圧は25mTorr と一定にした。スパッタ
リング中は基板を固定している銅製のアノードを水冷
し、製膜中の基板温度を20〜25℃に維持した。高周波投
入電力は110Wとし、30〜60分のスパッタリング製膜を行
なった。このようにして得られた薄膜は 500 nm の膜厚
を示した。このようにして得られた薄膜のＸ線回折図形
を図１に示す。同図より明らかなように下地基板のSiの
(111) 面からの以外には回折ピークが認められず薄膜が
アモルファス構造を有していることが解かる。したがっ
て、圧電素子、電気光学素子における結晶粒界の存在に
よる特性劣化の要因を排除できるために良特性のこれら
素子が提供できると考えられる。また、上記強誘電性薄
膜の電束密度の電界依存性を図２に示した。同図より明
らかなように誘電性においてヒステリシスループが認め
られ同系薄膜が強誘電性を呈していることが解かる。さ
らに、既に説明した製膜法によりSi基板をガラス基板に
かえて、薄膜を作製した。ガラス基板にはコーニングの
No.7059 を使用した。何れの薄膜も近赤外領域では、反
射防止膜を施し、光透過率の測定を行なった。光の波長
が1000nmよりも長波長領域において90％以上の光透過率
を有し、同薄膜の電気光学素子への応用が考えられるこ
とが解かった。
【０００８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば電気
分極の電界依存性においてヒステリシス特性を有するア
モルファス強誘電体薄膜が５００℃以下の温度において
製膜可能であり、本材料による薄膜強誘電体素子は強靭
で良特性を有する圧電素子や電気光学素子などを提供で
きる。さらには、光ＩＣ, 半導体ＩＣとの複合化も可能
にする。
分極の電界依存性においてヒステリシス特性を有するア
モルファス強誘電体薄膜が５００℃以下の温度において
製膜可能であり、本材料による薄膜強誘電体素子は強靭
で良特性を有する圧電素子や電気光学素子などを提供で
きる。さらには、光ＩＣ, 半導体ＩＣとの複合化も可能
にする。
【図１】図１は、本発明の実施例における強誘電体薄膜
のＸ線回折図である。
のＸ線回折図である。
【図１】図２は、本発明の実施例における強誘電体薄膜
の電束密度の電界依存性を示す図である。
の電束密度の電界依存性を示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成５年６月２２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施例における強誘電体薄
膜のＸ線回折図である。
膜のＸ線回折図である。
【図２】 図２は、本発明の実施例における強誘電体薄
膜の電束密度の電界依存性を示す図である。
膜の電束密度の電界依存性を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二井 裕之 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 電気分極の電界依存性においてヒステリ
シス特性を有するアモルファス強誘電体薄膜を有するこ
とを特徴とする強誘電体薄膜素子。 - 【請求項２】 アモルファス強誘電体薄膜が、製膜手段
を用いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持しな
がら非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの状
態か、あるいは５００℃以下の温度で熱処理することに
よって得られたものであることを特徴とする請求項１の
強誘電体薄膜素子。 - 【請求項３】 アモルファス強誘電体薄膜が、Fe2O3-Bi
2O3-ABO3（ペロブスカイト型化合物）を主成分とした三
元酸化物系薄膜からなることを特徴とする請求項１の強
誘電体薄膜素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3144193A JPH05347438A (ja) | 1991-05-21 | 1991-05-21 | 強誘電体薄膜素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3144193A JPH05347438A (ja) | 1991-05-21 | 1991-05-21 | 強誘電体薄膜素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05347438A true JPH05347438A (ja) | 1993-12-27 |
Family
ID=15356377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3144193A Pending JPH05347438A (ja) | 1991-05-21 | 1991-05-21 | 強誘電体薄膜素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05347438A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100308897B1 (ko) * | 1999-03-12 | 2001-09-26 | 이재찬 | 강유전체 박막을 이용한 마이크로머신용 압전소자 및 그 제조방법 |
| WO2004047193A1 (en) * | 2002-11-16 | 2004-06-03 | Key Sung Metal Co., Ltd. | Piezoelectric ceramics crystal-oriented under electric field and method of manufacturing the same |
-
1991
- 1991-05-21 JP JP3144193A patent/JPH05347438A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100308897B1 (ko) * | 1999-03-12 | 2001-09-26 | 이재찬 | 강유전체 박막을 이용한 마이크로머신용 압전소자 및 그 제조방법 |
| WO2004047193A1 (en) * | 2002-11-16 | 2004-06-03 | Key Sung Metal Co., Ltd. | Piezoelectric ceramics crystal-oriented under electric field and method of manufacturing the same |
| US7467448B2 (en) | 2002-11-16 | 2008-12-23 | Key Sung Metal Co., Ltd. | Method of manufacturing a piezoelectric ceramic |
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