DE2803999B2 - Piezoelektrischer kristalliner Film - Google Patents
Piezoelektrischer kristalliner FilmInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen kristallinen Film aus Zinkoxyd nach dem Oberbegriff des PA
mit hexagonaler Kristallstruktur.
Es gibt zahlreiche Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Zinkoxydfilmen, z. B. Vakuumabscheidungsverfahren,
orientierte Kristallabscheidung auf Fremdkristallen (Epitaxie) und die Zerstäubungsverfahren.
Von diesen Verfahren werden die Zerstäubungsverfahren,
insbesondere ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren, in letzter Zeit sehr häufig wegen des
Vorteils angewendet, daß die Wachstumsgeschwindigkeit der orientierten kristallinen Filme hoch ist, so daß
die industrielle Massenproduktion von piezoelektrischen kristallinen Filmen möglich ist.
Zur Herstellung eines piezoelektrischen Kristallfilms aus Zinkoxyd auf einer Substratoberfläche nach dem
Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren wird üblicherweise Keramik ■■üs hochreinem Zinkoxyd als Ausgangsmaterial
des Films verwendet. Selbst bei Durchführung der Hochfrequenz-Zerstäubung mit einem solchen
Ausgangsmaterial für den FiIn? ist es schwierig,
piezoelektrische kristalline Filme zu bilden, deren c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche steht. Wenn
die c-Achse des Zinkoxydfilms zu der senkrecht zur Substratoberfläche stehenden Achse geneigt ist, wird
der Wert des elektromechanischen Kopplungsfaktors niedrig, so daß es schwierig wird, piezoelektrische
Kristallfilm-Umformei mit gutem Umwandlungswirkungsgrad
herzustellen.
Es wurde nun gefunden, daß es durch Verwendung von Keramiken aus Zinkoxyd, das Wismut enthält,
möglich ist, einen piezoelektrischen kristallinen Film von hoher Qualität herzustellen, dessen c-Achse
senkrecht zur .Substratoberfläche verläuft.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen verbesserten piezoelektrischen kristallinen Film aus
Zinkoxyd, der die vorstehend genannten Nachteile ausschaltet, verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Film des kristallinen Zinkoxyds 0,01 bis 20,0 Atom-% Wismut
enthält.
Der piezoelektrische kristalline Film gemäß der Erfindung kann nach beliebigen üblichen Verfahren,
beispielsweise nach dem Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren, den Verfahren der gemeinsamen Zerstäubung
und Ionen-Impiantationsverfahren, hergestellt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildung
beschrieben, die schematisch die zur Herstellung von piezoelektrischen Kristallfilmen gemäß der Erfindung
verwendete Hochfrequenz-Zerstäubungsapparatur zeigt.
Die dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Glasglocke 1, in der zwei Elektroden, nämlich eine planare Kathode
2 und eine planare Anode 3, parallel angeordnet sind. An _ler Kathode 2 ist ein Ausgangsmaterial 4 für den Film
angeordnet, das im wesentlichen aus Wismut enthaltender Zinkoxydkeramik besteht. Zwischen den Elektroden
2 und 3 ist eine Blende 5 angeordnet. Ein Subs:rat 6 aus Glas oder Metall ist an der Unterseite der Anode 3
befestigt. Das Substrat 6 wird während der Zerstäubung auf eine Temperatur von 200 bis 500° C erhitzt. Die
Glasglocke ist mit einer Austrittsöffnung 7 und einem Gaseintritt 8 versehen.
Die Hochfrequenz-Zerstäubung wird wie folgt durchgeführt: Nach luftdichtem Abschluß wird die
Glasglocke 1 durch die Austrittsöffnimg 7 auf einen Druck von nicht vnehr als 1 χ 10~6 Torr evakuiert,
worauf Argon oder Sauerstoff oder ein Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff durch den Gaseintrit 8 so
zugeführt wird, daß der Druck auf 1 χ 10-' bis 1 χ 10~ !
Torr eingestellt wird. Zwischen die Kathode 2 und die Glasglocke 1 wird durch die Hochfrequenzstromquelle
9 eine Hochfrequenzspannung gelegt. Dem Ausgangsmaterial 4 für den Film wird ein Strom von 2 bis
8 W/cm2zugeführt.
Das im wesentlichen aus Wismut enthaltender Zinkoxidkeramik bestehende Ausgangsmaterial des
Films wird wie folgt hergestellt:
Unter Verwendung von pulveriormigem ZnO und
B12O) als Ausgangsmaterialien werden Gemische der in
der später folgenden Tabelle genannten Zusammensetzung hergestellt. Jedes Gemisch wird naß gemahlen,
getrocknet und dann 2 Stunden bei 600° bis 800°C vorgesintert. Der vorgesintertc Körper wird zerkleinert,
mit einem organischen Bindemittel naß gemahlen und dann getrocknet. Das erhaltene Pulver wird zu
Scheiben mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 5 mm unter einem Druck von 980 Bar
geformt und dann zur Bildung des Ausgangsmaterials der Filme 2 Stunden bei 1200°C gebrannt.
Für die in dieser Weise hergestellten Ausgangsmaterialien der Filme wurde das Verhältnis von Raumgewicht
(A zur theoretischen Dichte d, (djd, χ 100)
gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle genannt.
l'robc Nr. | /usiilAslnlT | Ausgangs niiilcriiil | /inkoxyüTilm | llul'tl'cstigkcil |
Atom-% | </,/(/, x 100 | Oricnlierung | ||
Ui | % | (V) | schlecht | |
I | 85 | 5,8° | gul | |
2 | 0,01 | 93 | 1,8° | gut |
} | 1,0 | 95 | 0,9° | gut |
I | 10.0 | 96 | 0,2° | |
Unter Verwendung der erhaltenen Ausgangsmaterialien für den Film wurden piezoelektrische kristalline
Zinkoxydfilme auf Glassubstraten unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Hochfrequenz-Zerstäubungsapparatur
gebildet. Die Hochfrequenz-Zerstäubung wird unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Ein Gasgemisch aus 90 Vol.-% Argon und 10 Vol.-% Sauerstoff wird der Glasglocke 1 durch den
Gaseintritt 8 so zugeführt, daß der Druck in der Glasglocke auf 1 bis 2 χ 10-J Torr eingestellt wird. Das
Glassubstrat wird auf 350°C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten. An das Ausgangsmaterial 4 des
Films wird ein Strom von 6 W/cm- und 13,56 MHz gelegt.
Die Orientierung der c-Achse der in dieser Weise hergestellten piezoelektrischen kristallinen Filme wurde
nach einer Sperrkurvenmethode (locking curve method) durch Röntgenstrahlenbeugung gemessen (siehe Minakata,
Chubachi und Kikuchi »Quantitative Representation of c-axis Orientation of Zinc Oxide Piezoelektric
Thin Films«, The 20th Lecture of Applied Physics
Federation [Japan] 2 [1973] 84 und Makotc Minakata, Dissertation mi der Tohoku-Universität [1974]). Der
Mittelwert (X) des Winkels der c-Achse zur Achse senkrecht zur Substratoberfläche wurde für die
jeweiligen Proben ermittelt Die Ergebnisse sind ebenfalls in der obigen Tabelle genannt. Der Versuch,
durch den bestimmt wurde, ob der Film genügend Haftfestigkeit hatte, wurde nach dem Wärmeschocktest
107C von MIL-STD-202D durchgeführt. Ein Film, der sich von der Oberfläche des Substrats abschälte, wurde
als »schlecht« und ein unveränderter Film als »gut« bewertet.
Die Werte in der Tabelle zeigen, daß die kristallinen Filme gemäß der Erfindung eine c-Achse, die zur Achse
senkrecht zur Substratoberfläche einen Winkel von nicht mehr als 2° bildet, d. h. eine ungefähr senkrecht zur
Substratoberfläche verlaufende c-Achse aufweisen. Dies bedeutet, daß es gemäß der Erfindung möglich ist,
ausgezeichn.te piezoelektrische kristalline Filme mit hohem elektromechanischen! Kopplungsfaktor zu bilden.
Die Ergebnisse zeigen ferner, daß die kristallinen Filme gemäß der Erfindung gute Haftfestigkeii
aufweisen.
Bei den in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Versuchen wurde Wismut in Oxydform verwendet,
jedoch kann es auch in anderen Formen, z. B. als Metall, in Form von Verbindungen oder Legierungen, als
Rohstoff für die Herstellung des Ausgangsmaterials der Filme verwendet werden. In solchen Fällen können die
gleichen Ergebnisse erhalten werden, wenn nur Whmui in den hergestellten piezoelektrischen kristallinen
Zinkoxydfilmen enthalten ist. Die Wismutkonzentration in den erfindungsgemäß durch Zerstäubung aufgebrachten
Zinkoxydfilmen liegt im Bereich vi. η 0,01 bis 20.0 Atom-%. Wenn die Wismutkonzentraiion geringer ist
als 0,01 Atom-%, wird die Haftfestigkeit des gebildeten kristallinen Films an den Substraten schlechter, und
wenn die Wismutkonzentration mehr als 20.0 Atom-% betragt, ist die Richtung der kristallographischen
Orientierung der Zinkoxydfilme nie' ■ gut regelbar, so
UUU UlC Wl lClllll.1 UlIg UUl /-IIIHUAyullllliC MLM llüllUCMlg
verändert.
Es wurde gefunden, daß durch Verwendung des Wismut enthaltenden Ausgangsmaterials für die i-ilme
die folgenden Vorteile erzielt werden können:
Bei der Massenproduktion von piezoelektrischen kristallinen Filmen nach der Hochfrequenz-Zerstäubungsmethode
muß die Wachstumsgeschwindigkeit de*- kristallinen Films erhöht werden. In aicem Fall muß die
dem Ausgangsmaterial des Films pro Flächeneinheit zugeführte Stromstärke erhöht werden, so daß das
Ausgangsmaterial ein hohes Raumgewicht haben muß. Diese Voraussetzung wird durch das Wismu; enthaltende
Ausgangsmaterial des Films vollständig erfüllt.
Wie die Werte in der Tabelle zeigen, hat das erfindungsgemäß verwendete Ausgangsmaterial für die
Filme ein höheres Raumgewicht als die üblicherweise verwendeten Ausgangsmaterialien, so daß ias Wismut
enthaltende Ausgangsmaterial für den Film die Massenproduktion von piezoelektrischen kristallinen Filmer,
tint· r Anwendung hoher Stromstärken ermöglicht.
Hierzu I BIaK Zciclinuimcn
Claims (1)
- Patentanspruch:Piezoelektrischer kristalliner Film, bestehend im wesentlichen aus einem Film von kristallinem Zinkoxyd mit einer zur Substratoberfläche senkrecht stehenden oAchse, dadurch gekennzeichnet, daß der Film des kristallinen Zinkoxyds 0,01 bis 20,0 Atom-% Wismut enthält
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