JPH07101832B2 - 圧電変換器及びその製造方法 - Google Patents
圧電変換器及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH07101832B2 JPH07101832B2 JP61144852A JP14485286A JPH07101832B2 JP H07101832 B2 JPH07101832 B2 JP H07101832B2 JP 61144852 A JP61144852 A JP 61144852A JP 14485286 A JP14485286 A JP 14485286A JP H07101832 B2 JPH07101832 B2 JP H07101832B2
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- Japan
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- piezoelectric
- silicide
- thin film
- film
- lead titanate
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子からなる圧電変換器及びその製造方
法に関し、特に薄膜圧電素子の圧電体を優れた圧電性を
有するチタン酸鉛（PbTiO3）で形成するのに好適な圧電
素子からなる圧電変換器及びその製造方法に関するもの
である。
法に関し、特に薄膜圧電素子の圧電体を優れた圧電性を
有するチタン酸鉛（PbTiO3）で形成するのに好適な圧電
素子からなる圧電変換器及びその製造方法に関するもの
である。
従来、チタン酸鉛（PbTiO3）は強誘電相（正方晶系）に
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極Psを持つことが
知られている。また、チタン酸鉛の微結晶を用いた実験
において、ｃ軸方向の電気機械結合係数が70％を越える
と報告されている。
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極Psを持つことが
知られている。また、チタン酸鉛の微結晶を用いた実験
において、ｃ軸方向の電気機械結合係数が70％を越える
と報告されている。
しかし、チタン酸鉛（PbTiO3）を実用的な大きさに単結
晶として製作することは困難であるので、現在はそのセ
ラミツクスが使用されている。ところがチタン酸鉛（Pb
TiO3）をセラミツクスにしたのでは、結晶軸がランダム
な方向を向いた結晶粒の集まりとなつてしまい、ｃ軸方
向の自発分極及び圧電性が大きいというチタン酸鉛（Pb
TiO3）の特性を充分活かせない。
晶として製作することは困難であるので、現在はそのセ
ラミツクスが使用されている。ところがチタン酸鉛（Pb
TiO3）をセラミツクスにしたのでは、結晶軸がランダム
な方向を向いた結晶粒の集まりとなつてしまい、ｃ軸方
向の自発分極及び圧電性が大きいというチタン酸鉛（Pb
TiO3）の特性を充分活かせない。
上記のことは、薄膜として使用する場合も同様であり、
結晶軸の方向がランダムな多結晶薄膜では充分な特性は
期待できない。そこで対策としては格子定数の近い単結
晶基板を用いて、エピタキシヤル成長させる試みが行わ
れている。しかし、基板としては酸化されにくい数種の
絶縁物に限られているものが現状である。
結晶軸の方向がランダムな多結晶薄膜では充分な特性は
期待できない。そこで対策としては格子定数の近い単結
晶基板を用いて、エピタキシヤル成長させる試みが行わ
れている。しかし、基板としては酸化されにくい数種の
絶縁物に限られているものが現状である。
チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜を圧電素子あるいは焦電素子
として用いる場合には、下地に電極を設ける必要があ
る。ところが導電性の高い物理でチタン酸鉛と格子定数
が近くしかも単結晶として入手しやすいものがない。そ
こで絶縁性単結晶板を用いて先ず電極膜を形成し、その
上に圧電性薄膜を形成して素子化する試みが行われてい
る。例えば、特開昭59−93000号に記載のように、酸化
マグネシウム（MgO）単結晶基板上に電極として白金（P
t）膜を（100）配向させ、その電極上にチタン酸鉛（Pb
TiO3）薄膜をｃ軸配向させている。
として用いる場合には、下地に電極を設ける必要があ
る。ところが導電性の高い物理でチタン酸鉛と格子定数
が近くしかも単結晶として入手しやすいものがない。そ
こで絶縁性単結晶板を用いて先ず電極膜を形成し、その
上に圧電性薄膜を形成して素子化する試みが行われてい
る。例えば、特開昭59−93000号に記載のように、酸化
マグネシウム（MgO）単結晶基板上に電極として白金（P
t）膜を（100）配向させ、その電極上にチタン酸鉛（Pb
TiO3）薄膜をｃ軸配向させている。
〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術では、使用できる基板が限定されており、
素子の集積化，モノリシツク構造を可能とするシリコン
（Si）基板を使用することができなかつた。
素子の集積化，モノリシツク構造を可能とするシリコン
（Si）基板を使用することができなかつた。
本発明の目的は、シリコン（Si）基板上に圧電性の優れ
た圧電素子を形成し、圧電変換器及びその製造方法を提
供することにある。
た圧電素子を形成し、圧電変換器及びその製造方法を提
供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の圧電素子はシリコン
（Si）基板上にシリサイド膜を電極（下部電極と称す
る。）として形成し、該シリサイド膜上に圧電体の薄膜
を形成し、該圧電体上に上部電極を形成することに特徴
がある。
（Si）基板上にシリサイド膜を電極（下部電極と称す
る。）として形成し、該シリサイド膜上に圧電体の薄膜
を形成し、該圧電体上に上部電極を形成することに特徴
がある。
シリコン（Si）と金属、例えばニツケル（Ni）コバルト
（Co）、クロム（Cr）、タングステン（Ｗ）、白金（P
t）、パラジウム（Pd）等は反応して容易にシリサイド
を形成することが知られている。中でも、ニツケル（N
i）、コバルト（Co）等、シリサイドの格子定数がSiの
それに等価的に近い場合には、エピタキシヤル膜の形成
が可能である。エピタキシヤル・シリサイドは熱的に安
定で、電気抵抗も低く電極として十分使用可能である。
しかも、ニツケルシリサイド（NiSi2）、コバルトシリ
サイド（CoSi2）の とチタン酸鉛（PbTiO3）のａ軸長とはほぼ等しい。した
がつてシリサイド膜上にさらにチタン酸鉛をエピタキシ
ヤル成長させることができる。
（Co）、クロム（Cr）、タングステン（Ｗ）、白金（P
t）、パラジウム（Pd）等は反応して容易にシリサイド
を形成することが知られている。中でも、ニツケル（N
i）、コバルト（Co）等、シリサイドの格子定数がSiの
それに等価的に近い場合には、エピタキシヤル膜の形成
が可能である。エピタキシヤル・シリサイドは熱的に安
定で、電気抵抗も低く電極として十分使用可能である。
しかも、ニツケルシリサイド（NiSi2）、コバルトシリ
サイド（CoSi2）の とチタン酸鉛（PbTiO3）のａ軸長とはほぼ等しい。した
がつてシリサイド膜上にさらにチタン酸鉛をエピタキシ
ヤル成長させることができる。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は、本発明の第一の実施例を示す単一の圧電素子を有
した圧電変換器の外観図である。
図は、本発明の第一の実施例を示す単一の圧電素子を有
した圧電変換器の外観図である。
素子を製作する場合、先ず、基板１には円柱状（10mmφ
×10mm）の両端面を光学研磨したシリコンSi（100）板
を用いる。このシリコンSi基板を洗浄した後電子ビーム
蒸着により20nmのNi膜２を形成する。この後真空中で80
0℃,10分間熱処理を行う。熱処理後の膜をRHEEDにより
評価したところ、シリサイド（NiSi2）がエピタキシヤ
ル成長しているのが確認された。次にこのシリサイド
（NiSi2）上に、圧電体としてチタン酸鉛（PbTiO3）を
主成分とする薄膜３を高周波マグネトロンスパツタリン
グによつて形成する。なお、圧電性を高めるために添加
する他の微少成分としては、ジルコニウム（Zr）、マグ
ネシウム（Mg）などがある。スパツタリング条件は、基
板温度が600℃,Ar−O2（90％−10％）ガスの圧力が３
Pa、スパツタリング時間が10hであり、形成された膜の
膜厚は３μｍである。このチタン酸鉛薄膜をＸ線回折に
より評価したところ、（00l）の強い回折線ピークと（h
00）の弱い回折線ピークが現われ、ほぼＣ軸配向した膜
となつていた。ただし、上記l,hは1,2,3である。続い
て、チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３上に、上部電極４とし
てクロム（Cr）と金（Au）を5mmφのマスクを使つて蒸
着する。
×10mm）の両端面を光学研磨したシリコンSi（100）板
を用いる。このシリコンSi基板を洗浄した後電子ビーム
蒸着により20nmのNi膜２を形成する。この後真空中で80
0℃,10分間熱処理を行う。熱処理後の膜をRHEEDにより
評価したところ、シリサイド（NiSi2）がエピタキシヤ
ル成長しているのが確認された。次にこのシリサイド
（NiSi2）上に、圧電体としてチタン酸鉛（PbTiO3）を
主成分とする薄膜３を高周波マグネトロンスパツタリン
グによつて形成する。なお、圧電性を高めるために添加
する他の微少成分としては、ジルコニウム（Zr）、マグ
ネシウム（Mg）などがある。スパツタリング条件は、基
板温度が600℃,Ar−O2（90％−10％）ガスの圧力が３
Pa、スパツタリング時間が10hであり、形成された膜の
膜厚は３μｍである。このチタン酸鉛薄膜をＸ線回折に
より評価したところ、（00l）の強い回折線ピークと（h
00）の弱い回折線ピークが現われ、ほぼＣ軸配向した膜
となつていた。ただし、上記l,hは1,2,3である。続い
て、チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３上に、上部電極４とし
てクロム（Cr）と金（Au）を5mmφのマスクを使つて蒸
着する。
その後、試料の温度を200℃に保ちながら、両電極（２
及び４）間に100kV/cmの直流電界を約20分間印加し、分
極処理を行う。
及び４）間に100kV/cmの直流電界を約20分間印加し、分
極処理を行う。
上記の方法で製作した単一の圧電素子を有した圧電変換
器の感度をパルスエコー法により測定する。すなわち、
両電極間にバースト波を印加して超音波を発生させ、円
柱状シリコン（Si）の他方の端面から反射して帰つてく
るエコー強度を周波数0.1〜1.2HHzの範囲で測定する。
この実験で得られた周波数特性から電気機械結合係数を
計算すると0.61の値が得られた。この値がセラミクスの
値（〜0.5）を上回ることから、圧電体であるチタン酸
鉛（PbTiO3）のｃ軸配向膜を形成したことにより、その
効果を現わしている。
器の感度をパルスエコー法により測定する。すなわち、
両電極間にバースト波を印加して超音波を発生させ、円
柱状シリコン（Si）の他方の端面から反射して帰つてく
るエコー強度を周波数0.1〜1.2HHzの範囲で測定する。
この実験で得られた周波数特性から電気機械結合係数を
計算すると0.61の値が得られた。この値がセラミクスの
値（〜0.5）を上回ることから、圧電体であるチタン酸
鉛（PbTiO3）のｃ軸配向膜を形成したことにより、その
効果を現わしている。
また、上述したチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３のスパツタ
リング条件を、ガス圧３Pa，基板温度を200℃として膜
形成を行い、上述と同様にＸ線回折による評価を行つた
ところ、顕著な回折線は現われず非晶質の薄膜であつ
た。そこで600℃で８時間熱処理を行い、際びＸ線回折
による評価を行つたところ、（00l）の強い回折線ピー
クと（h00）の弱い回折線が現われ、ｃ軸配向して結晶
化したことが確認された。このことから、非晶質のチタ
ン酸鉛（PbTiO3）膜を形成した後に一定条件下の熱処理
を行うという方法によつても、ｃ軸配向チタン酸鉛薄膜
３を形成することができる。
リング条件を、ガス圧３Pa，基板温度を200℃として膜
形成を行い、上述と同様にＸ線回折による評価を行つた
ところ、顕著な回折線は現われず非晶質の薄膜であつ
た。そこで600℃で８時間熱処理を行い、際びＸ線回折
による評価を行つたところ、（00l）の強い回折線ピー
クと（h00）の弱い回折線が現われ、ｃ軸配向して結晶
化したことが確認された。このことから、非晶質のチタ
ン酸鉛（PbTiO3）膜を形成した後に一定条件下の熱処理
を行うという方法によつても、ｃ軸配向チタン酸鉛薄膜
３を形成することができる。
上記の方法で形成されたチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３上
に、上述と同様上部電極４を形成した後分極処理を実施
し、パルスエコー法により感度を測定して電気機械結合
係数を計算すると0.58の値が得られる。
に、上述と同様上部電極４を形成した後分極処理を実施
し、パルスエコー法により感度を測定して電気機械結合
係数を計算すると0.58の値が得られる。
このことからも、エピタキシヤルシリサイド膜を電極
（下部電極）として形成した結果、その上に形成された
チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３がｃ軸配向膜となるので、
チタン酸鉛（PbTiO3）セラミツクスの電気機械結合係数
の値を超える圧電性の高い圧電素子を有した圧電変換器
を実現できる。
（下部電極）として形成した結果、その上に形成された
チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜３がｃ軸配向膜となるので、
チタン酸鉛（PbTiO3）セラミツクスの電気機械結合係数
の値を超える圧電性の高い圧電素子を有した圧電変換器
を実現できる。
前記実施例においてはニツケルシリサイド（NiSi2）を
電極として形成したが、かわりにコバルトシリサイド
（CoSi2）を形成することも可能である。前記実施例と
同様に洗浄したシリコン（Si（100））基板上に電子ビ
ーム蒸着により200nmのコバルト（Co）膜を形成した
後、真空中において900℃で30分間熱処理を行う。反射
電子線回折（RHEED）によりこの膜を評価したところ、
（100）配向を示すコバルトシリサイド（CoSi2）であ
る。さらにチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜を前記実施例と同
様の方法で形成したところｃ軸配向したチタン酸鉛薄膜
である。以上述べたようにコバルトシリサイド（CoS
i2）も電極（下部電極）として使用可能である。
電極として形成したが、かわりにコバルトシリサイド
（CoSi2）を形成することも可能である。前記実施例と
同様に洗浄したシリコン（Si（100））基板上に電子ビ
ーム蒸着により200nmのコバルト（Co）膜を形成した
後、真空中において900℃で30分間熱処理を行う。反射
電子線回折（RHEED）によりこの膜を評価したところ、
（100）配向を示すコバルトシリサイド（CoSi2）であ
る。さらにチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜を前記実施例と同
様の方法で形成したところｃ軸配向したチタン酸鉛薄膜
である。以上述べたようにコバルトシリサイド（CoS
i2）も電極（下部電極）として使用可能である。
第２図（ａ），（ｂ）は、上述と同様の方法で製作した
複数の圧電素子が配列されてなるアレー圧電変換器の平
面図および断面図である。
複数の圧電素子が配列されてなるアレー圧電変換器の平
面図および断面図である。
第２図において、11はシリコン（Si）基板、12はシリサ
イド膜、13はチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜、14は上部電極
である。
イド膜、13はチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜、14は上部電極
である。
アレー圧電変換器を製作する場合は、先ずシリコン（S
i）基板11上にニツケル（Ni）またはコバルト（Co）膜
を形成する。熱処理によりシリサイド膜を形成した後、
リングラフイ技術を用いてアレイ状のレジストパターン
を形成する。イオンミリングによりシリサイド膜をパタ
ーニングした後、レジストを除去し、下部電極12が形成
される。次に前記第１の実施例と同様の方法でチタン酸
鉛（PbTiO3）薄膜13を全面に形成する。さらに上部電極
14を全面に形成し、分極処理を行えばシリサイド膜12の
上部のPbTiO3膜のみが圧電活性となる。
i）基板11上にニツケル（Ni）またはコバルト（Co）膜
を形成する。熱処理によりシリサイド膜を形成した後、
リングラフイ技術を用いてアレイ状のレジストパターン
を形成する。イオンミリングによりシリサイド膜をパタ
ーニングした後、レジストを除去し、下部電極12が形成
される。次に前記第１の実施例と同様の方法でチタン酸
鉛（PbTiO3）薄膜13を全面に形成する。さらに上部電極
14を全面に形成し、分極処理を行えばシリサイド膜12の
上部のPbTiO3膜のみが圧電活性となる。
以上の手順により、各エレメント（圧電素子）（下部電
極で部分化され、ｃ軸配向チタン酸鉛（PbTiO3）膜の形
成された部分）を独立に動作させることのできるアレー
圧電変換器が得られる。
極で部分化され、ｃ軸配向チタン酸鉛（PbTiO3）膜の形
成された部分）を独立に動作させることのできるアレー
圧電変換器が得られる。
以上説明したように、本発明によればSi基板上にエピタ
キシヤルシリサイド膜を形成しているので、その上に形
成されたチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜はｃ軸配向膜とな
る。したがつて、シリコン（Si）基板上にも圧電性の優
れたチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜を容易に形成することが
できる。
キシヤルシリサイド膜を形成しているので、その上に形
成されたチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜はｃ軸配向膜とな
る。したがつて、シリコン（Si）基板上にも圧電性の優
れたチタン酸鉛（PbTiO3）薄膜を容易に形成することが
できる。
第１図は、本発明の第一の実施例を示す圧電素子の外観
図、第２図はアレー圧電変換器の平面図及び断面図であ
る。 1,11…シリコン（Si）基板、2,12…シリサイド薄膜、3,
13…チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜、4,14…上部電極。
図、第２図はアレー圧電変換器の平面図及び断面図であ
る。 1,11…シリコン（Si）基板、2,12…シリサイド薄膜、3,
13…チタン酸鉛（PbTiO3）薄膜、4,14…上部電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/26 Ｈ０３Ｈ 3/02 Ｂ Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ (72)発明者 須佐 憲三 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 白木 靖寛 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 石坂 彰利 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (11)
- 【請求項１】Si単結晶基板上にシリサイド膜によって形
成された下部電極と、前記下部電極の上に形成された圧
電体の薄膜と、及び前記圧電体の上に形成された上部電
極とを有することを特徴とする圧電変換器。 - 【請求項２】前記シリサイド膜に、ニッケルシリサイド
（NiSi2）、もしくはコバルトシリサイド（CoSi2）を用
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧
電変換器。 - 【請求項３】前記圧電体が、チタン酸鉛（PbTiO3）を主
成分とする圧電体からなることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の圧電変換器。 - 【請求項４】Si単結晶基板上にシリサイド膜を形成する
工程と、前記シリサイド膜上に圧電体の薄膜を高周波ス
パッタリング法によって形成する工程を有することを特
徴とする圧電変換器の製造方法。 - 【請求項５】前記高周波スパッタリング法によって形成
された前記圧電体の薄膜を熱処理したことを特徴とする
特許請求の範囲第４項に記載の圧電変換器の製造方法。 - 【請求項６】Si単結晶基板上にシリサイド膜によって形
成された複数の下部電極と、前記の複数の下部電極の各
々と前記Si単結晶基板上に形成された圧電体の薄膜と、
及び前記圧電体の上に形成された上部電極とを有するこ
とを特徴とする圧電変換器。 - 【請求項７】前記の複数の下部電極と前記上部電極の間
の前記圧電体の部分のみが圧電活性であることを特徴と
する特許請求の範囲第６項に記載の圧電変換器。 - 【請求項８】前記シリサイド膜に、ニッケルシリサイド
（NiSi2）、もしくはコバルトシリサイド（CoSi2）を用
いることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の圧
電変換器。 - 【請求項９】前記圧電体が、チタン酸鉛（PbTiO3）を主
成分とする圧電体からなることを特徴とする特許請求の
範囲第６項に記載の圧電変換器。 - 【請求項１０】Si単結晶基板上にシリサイド膜からなる
複数の下部電極を形成する工程と、前記の複数の下部電
極の各々と前記Si単結晶基板上に圧電体の薄膜を高周波
スパッタリング法によって形成する工程を有することを
特徴とする圧電変換器の製造方法。 - 【請求項１１】前記高周波スパッタリング法によって形
成された前記圧電体の薄膜を熱処理したことを特徴とす
る特許請求の範囲第10項に記載の圧電変換器の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61144852A JPH07101832B2 (ja) | 1986-06-23 | 1986-06-23 | 圧電変換器及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61144852A JPH07101832B2 (ja) | 1986-06-23 | 1986-06-23 | 圧電変換器及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS633505A JPS633505A (ja) | 1988-01-08 |
| JPH07101832B2 true JPH07101832B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=15371914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61144852A Expired - Lifetime JPH07101832B2 (ja) | 1986-06-23 | 1986-06-23 | 圧電変換器及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07101832B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6349454B1 (en) * | 1999-07-29 | 2002-02-26 | Agere Systems Guardian Corp. | Method of making thin film resonator apparatus |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57145419A (en) * | 1981-03-05 | 1982-09-08 | Clarion Co Ltd | Surface acoustic wave element |
| JPS6083387A (ja) * | 1983-10-14 | 1985-05-11 | Hitachi Ltd | アレー圧電変換器 |
| JPS60213058A (ja) * | 1984-04-09 | 1985-10-25 | Agency Of Ind Science & Technol | シリサイド膜を有する構造体およびその製造方法 |
-
1986
- 1986-06-23 JP JP61144852A patent/JPH07101832B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS633505A (ja) | 1988-01-08 |
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