JP2005294452A - 薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子 - Google Patents

薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子 Download PDF

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正雄 近藤
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和明 栗原
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Abstract

【課題】 優れた結晶性を有し、良好な圧電性、電歪性、強誘電性、あるいは電気光学効果を有する薄膜をエピタキシャル成長可能な薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子を提供する。
【解決手段】 薄膜積層体１０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４がエピタキシャル成長により順次積層された構成を有する。Ｃ−希土構造（立方結）の結晶構造を有する希土類酸化物のＣ−希土構造膜１３を酸化ジルコニウム膜１２上に形成することにより、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜１４を（００１）面配向に形成できる。単純ペロブスカイト構造膜１４はＣ−希土構造膜１３に対して結晶成長方向を回転軸として４５度回転して成長する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電性や、電歪性、強誘電性、電気光学効果を有する薄膜をエピタキシャル成長可能な薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子に関する。
自発分極をもつ強誘電体をキャパシタ部分に用いた強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）は、次世代の主要な不揮発メモリとして盛んに研究が進められ、非接触のＩＣカード等への応用が検討されている。またシリコン基板上に形成した強誘電体膜を半導体微細加工技術を用いて加工することで、強誘電体膜の圧電性・電歪性を用いて駆動させる圧電ポンプ等のアクチュエータ素子、ジャイロセンサ素子、通信用のフィルター素子等の応用も検討されている。更に強誘電体膜に電圧を印加した時に生ずる屈折率変化（電気光学効果）を利用して、強誘電体内を伝搬する光の光路を変える光スイッチ素子等の応用も考えられる。強誘電体材料は分極方向に異方性があるので、基板垂直方向に電圧を印加して強誘電体膜を使用する場合、最大分極量を示す結晶方向を基板垂直方向に配向させることが、高性能の電子デバイスを得る上で好ましい。
光学的に高透過率・低損失の酸化物エピタキシャル膜を得るために、これまで酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）等の酸化物単結晶基板が用いられてきた。しかしこれら酸化物単結晶基板はチョクラルスキー法が適用でないため大型化が難しく、最大でも２インチ程度である。これらの基板をシリコン基板で代替できれば、シリコン単結晶基板は３００mm程度のものが得られているので、一度のプロセスで多くの電子デバイスが製造でき、製造コストを低減できる等の長所がある。
下記特許文献１は、シリコン基板上に形成した酸化ジルコニウム膜を下地膜として用いて、単純ペロブスカイト構造を有する酸化物を（００１）面方向にエピタキシャル成長した構造が得られることを開示している。
特開平０９−１１０５９２号公報
しかしながら、酸化ジルコニウムの格子定数は０．５１ｎｍであり、チタン酸バリウムやＰＺＴ等代表的なペロブスカイト酸化物の格子定数は約０．４ｎｍで格子定数のミスマッチは−２１．６％となる。このように格子整合性が低い場合、成長するペロブスカイト酸化物の結晶性が低いという問題がある。
また、上記特許文献１では、チタン酸バリウム膜は酸化ジルコニウム膜に対して面内回転することなく成長し、チタン酸バリウム格子４格子に対して酸化ジルコニウム膜３格子が整合して成長しているが、このように大きなミスフィットを内包させて成長している膜は界面に応力が集中し易く、例えば光導波路に用いるような１μm前後の厚さの膜を形成する場合、剥離しやすくなるという問題がある。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、優れた結晶性を有し、良好な圧電性、電歪性、強誘電性、あるいは電気光学効果を有する薄膜をエピタキシャル成長可能な薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子を提供することである。
本発明の一観点によれば、単結晶基板と、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、を備えた薄膜積層体が提供される。
本願発明者は、単結晶半導体基板と単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜との間に様々な材料からなる層を形成した結果、酸化ジルコニウム膜上にＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物を形成することで、単純ペロブスカイト構造膜との間に様々な材料からなる層を（００１）面方向に配列させることを見出した。
本発明によれば、薄膜積層体は、単結晶基板上に中間層を介して形成された単純ペロブスカイト構造膜がエピタキシャル成長により（００１）面を結晶成長面として形成されているので、この薄膜積層体上に他の単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物、例えば強誘電体膜をエピタキシャル成長させることができ、かつその結晶成長方向すなわち積層方向を（００１）方向に配向することができる。したがって、強誘電体膜の分極方向と積層方向とを一致させることができるので、積層方向に電界を印加して動作させるアクチュエータ素子や、フィルター素子、容量素子を備えた強誘電体メモリ、光偏向素子等の圧電性や、電歪性、残留分極量、電気光学効果を向上することができる。
本発明の他の観点によれば、単結晶基板と、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素または白金族元素を含む合金からなる下部電極層と、前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物膜と、前記酸化物膜上に形成された上部電極と、を備え、前記酸化物膜が圧電性または電歪性を有するアクチュエータ素子が提供される。
本発明によれば、下部電極層と上部電極との間に電圧を印加することにより、その電界方向と圧電性・電歪性を示す酸化物膜の（００１）面方向が一致するので、優れた圧電性および電歪性を有し、変位量の大きなアクチュエータ素子を実現できる。
本発明のその他の観点によれば、単結晶基板と、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物と、前記酸化物膜上に形成された入力用電極および出力用電極とを備え、前記酸化物膜が圧電性を示すフィルター素子が提供される。
本発明によれば、酸化物膜の結晶性が良好で優れた圧電性を有するので、電気信号から弾性波、弾性波から電気信号への変換効率を向上することができ損失の少ないフィルター素子を実現できる。
本発明のその他の観点によれば、単結晶基板と、ソースおよびドレイン電極が各々接続される２つの不純物拡散領域が形成された単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成された薄膜積層体と、前記薄膜積層体上に形成されたゲート電極とを備える強誘電体メモリであって、前記薄膜積層体は、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物とからなり、前記酸化物膜が強誘電性を有することを特徴とする強誘電体メモリが提供される。
本発明によれば、酸化物膜の分極方向とゲート電極−単結晶基板間方向が一致するので、残留分極量を増大することができる。したがって、強誘電体メモリのデータ保持特性や疲労特性に優れ、長期信頼性の高い強誘電体メモリを実現することができる。
本発明のその他の観点によれば、単結晶基板と、前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素またはその合金からなる下部電極層と、前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された第１の酸化物膜と、前記第１の酸化物膜上にエピタキシャル成長により形成された第２の酸化物膜と、前記第２の酸化物膜上に形成された電極とを備え、前記第２の酸化物膜および第２の酸化物膜は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなると共に電気光学効果を有し、前記第２の酸化物膜は、第１の酸化物膜よりも屈折率が大きい光偏向素子が提供される。
本発明によれば、クラッド層およびコア層の分極方向と下部電極層−上部電極間方向が一致するので、電気光学効果に優れ、偏向角が大きい光偏向素子を実現することができる。
本発明によれば、優れた結晶性を有し、良好な圧電性、電歪性、強誘電性、あるいは電気光学効果を有する薄膜をエピタキシャル成長可能な薄膜積層体、その薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子、フィルター素子、強誘電体メモリ、および光偏向素子を実現できる。
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜積層体の構造を示す分解斜視図である。図１を参照するに、本実施の形態に係る薄膜積層体１０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４が順次エピタキシャル成長により積層された構造となっており、成長方向が（００１）面方向となっている。薄膜積層体１０は単結晶基板１１上に各層が（００１）面方向にエピタキシャル成長しているので結晶性に優れており、特に、単純ペロブスカイト構造膜１４が（００１）面配向となっているので、単純ペロブスカイト構造膜１４上に、圧電性や、電歪性、強誘電性、電気光学効果に優れるＰｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（ＰＺＴ）、（Ｐｂ1-3y/2Ｌａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（ＰＬＺＴ）のような単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる膜をエピタキシャル成長させることができる。なお、単純ペロブスカイト構造膜１４自体が圧電性や、電歪性、強誘電性、電気光学効果を有してもよい。
単結晶基板１１は、（００１）面を主面とするシリコンまたはガリウム−砒素（ＧａＡｓ）の単結晶基板から構成される。主面を（００１）にすることにより単結晶基板１１上にエピタキシャル成長させる各層の面方位を揃え、最終的に単純ペロブスカイト構造膜１４の面方位を（００１）面とすることができる。なお、主面を（００１）面とし０°より４°の範囲で微傾斜した単結晶基板１１を用いても良い。単結晶基板１１表面の微少な凹凸に起因して酸化ジルコニウム膜１２に結晶粒界が発生することがあるが、微傾斜した単結晶基板１１を用いることにより、酸化ジルコニウム膜１２の膜面内の成長方向を揃えて結晶粒界の発生を抑制することができる。
酸化ジルコニウム膜１２は、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムに希土類酸化物やアルカリ土類金属酸化物を添加した酸化物材料から構成される。酸化ジルコニウム膜１２は、酸化ジルコニウム単体では、高温での正方晶結晶構造から室温での単斜晶結晶構造への相転移に伴い体積変化を生じるため、このような体積変化の少ない希土類酸化物やアルカリ土類金属酸化物を添加した安定化酸化ジルコニウム材料から形成されることが好ましい。酸化ジルコニウム膜１２に好適な希土類酸化物としては、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｒ、およびＬａを含む酸化物が挙げられ、これらの酸化物が１種あるいは２種以上含まれていてもよい。また、酸化ジルコニウム膜１２に好適なアルカリ土類金属酸化物としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａを含む酸化物が挙げられ、これらの酸化物が１種あるいは２種以上含まれていてもよい。
酸化ジルコニウム膜１２は、その上に形成されるＣ−希土構造膜１３との格子整合性の点から、結晶構造が立方晶であることが好ましい。このような例としては、酸化ジルコニウム膜１２が酸化ジルコニウムと、含有量が２ｍｏｌ％〜２７ｍｏｌ％（特に好ましくは１３ｍｏｌ％〜２７ｍｏｌ％）の範囲であるＣａＯからなるカルシウム安定化ジルコニア、酸化ジルコニウムと含有量が２ｍｏｌ％〜５２ｍｏｌ％（特に好ましくは４ｍｏｌ％〜５２ｍｏｌ％）の範囲であるＹ2Ｏ3からなるイットリウム安定化ジルコニアが挙げられる。酸化ジルコニウム膜１２は、例えば膜厚が１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲に設定される。
Ｃ−希土構造膜１３は、Ｃ−希土構造（Ｃ−ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の結晶構造を有する希土類酸化物から構成される。Ｃ−希土構造の結晶構造を有する希土類酸化物は、Ａ2Ｏ3型であり、Ｏは酸素を表し、ＡはＹ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｓｍ、およびＥｒから１種選択された希土類元素を表す。具体的には、Ｙ2Ｏ3、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3である。なお、Ｃ−希土構造膜１３は、結晶性を極度に悪化しない限度でこれらの希土類元素を２種以上含んでいてもよい。
図２は、Ｃ−希土構造の結晶構造を説明するための図である。図２を参照するに、Ｃ−希土構造は立方晶であり、Ｃ−希土構造の単位胞は、（００１）面方向（（００１）面と等価な面方向を含む。）をＺ方向として、下の層（Ｚ＝０）から上の層（Ｚ＝７／８）の層まで８層からなり、黒丸が希土類元素の原子、白丸が酸素原子を表す。酸素原子が構成する層には空孔（酸素原子が欠けた位置）が形成されている。なお、図２において原子位置は規格化された位置を示し、実際は空孔を埋めるように希土類元素原子および酸素原子の位置が若干シフトしている。Ｃ−希土構造を有する希土類酸化物の格子定数は１．０ｎｍ〜１．２ｎｍである。Ｃ−希土構造を有する希土類酸化物は立方晶であるので、下地である酸化ジルコニウム膜１２との格子整合性が良好でかつ、この上に形成される単純ペロブスカイト構造膜１４との格子整合性が良好である。
一方、一般に希土類酸化物には、本発明を構成しないＡ−希土構造を有すものがある。
図３は、Ａ−希土構造の結晶構造を説明するための図である。図中、黒丸が希土類元素の原子、白丸が酸素原子を表す。図３を参照するに、Ａ−希土構造は三方晶であるので、下地である酸化ジルコニウム膜および単純ペロブスカイト構造膜との格子整合性が悪いため、本発明には用いられない。なお、Ａ−希土構造を有する希土類酸化物としては、Ｌａ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3等である。
Ｃ−希土構造膜１３は、例えば膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に設定される。
図１に戻り、単純ペロブスカイト構造膜１４は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有する金属酸化物から構成される。単純ペロブスカイト構造膜１４は、Ｃ−希土構造膜１３上に（００１）面を成長方向としてエピタキシャル成長により、成長方向すなわち［００１］結晶方位を軸として４５°回転して形成されている。
図４は、単純ペロブスカイト格子の構造を説明するための図である。図４を参照するに、単純ペロブスカイト格子は、金属イオンである陽イオンＡ（黒丸で示す。）および陽イオンＢ（二重丸で示す。）と、酸素イオン（白丸で示す）から構成されている。単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造としては、例えば、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造等が挙げられる。これらの結晶構造を有する金属酸化物の多くは強誘電体であり、圧電性や電歪性、焦電性、電気伝導性等を有する。
単純ペロブスカイト構造膜１４に用いられるペロブスカイト構造を有する金属酸化物は特に限定されないが、例えば、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3が挙げられる。
単純ペロブスカイト構造膜１４に用いられるペロブスカイト構造を有する金属酸化物の好適なものとしては、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-3y/2Ｌａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（０≦ｘ、ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ’1/3Ｂ”2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は２価の金属、Ｂ”は５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’1/2Ｂ”1/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は３価の金属及びＢ”は５価の金属、またはＢ’は２価の金属及びＢ”は６価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’1/3Ｂ”2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は６価の金属及びＢ”は３価の金属）、（Ｂａ1-xＳｒx）ＴｉO3（０≦ｘ≦１）が挙げられる。これらの金属酸化物は、誘電特性、電歪性、圧電性に優れ、特に残留分極が大きい点で優れている。
単純ペロブスカイト構造膜１４に用いられるビスマス層状構造を有する金属酸化物は特に限定されないが、好適なものとしては、（Ｂｉ1-xＲx）4Ｔｉ3Ｏ12（Ｒは希土類元素、０≦ｘ≦１）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、およびＳｒＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15が挙げられる。これらの金属酸化物は、誘電特性、電歪性、圧電性に優れ、特に残留分極が大きい点で優れている。
単純ペロブスカイト構造膜１４に用いられるタングステンブロンズ構造を有する金属酸化物は特に限定されないが、好適なものとしては、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｎｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ1-xＢａx）Ｔａ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ2Ｏ6（０≦ｘ≦１）、Ｂａ2Ｎａ2Ｎｂ5Ｏ15が挙げられる。これらの金属酸化物は、誘電特性、電歪性、圧電性に優れ、特に残留分極が大きい点で優れている。
単純ペロブスカイト構造膜１４は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有し、導電性を有する金属酸化物であってもよい。このような導電性金属酸化物としては、例えば、ＳｒＲｕＯ3、ＳｒＶＯ3、ＳｒＣｒＯ3、（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＣａＣｒＯ3、ＲｅＯ3（以下、これらの材料を「ペロブスカイト構造導電性酸化物」という。）が挙げられる。
また、格子整合性の点で、Ｃ−希土構造膜１３と単純ペロブスカイト構造膜１４の好ましい組み合わせとしては、Ｄｙ2Ｏ3とＣａＴｉＯ3が挙げられる。
上記酸化ジルコニウム膜１２はスパッタ法やパルスレーザ蒸着法等を用いて形成することができ、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４は、スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相成長）法（特にＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）法、パルスレーザ蒸着法、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
次に、本実施の形態に係る薄膜積層体１０がシリコン基板上にエピタキシャル成長している様子を、第１実施例および比較例を示して以下に説明する。
［第１実施例］
第１実施例に係る薄膜積層体を以下のようにして形成した。
（００１）面を有するシリコン単結晶基板上に、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）膜（Ｙ2Ｏ3含有量８ｍｏｌ％）、酸化ディスプロシウム（Ｄｙ2Ｏ3）膜、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3、ＣＴＯ）膜を順次形成した。
具体的には、シリコン単結晶基板を成膜チャンバ内にセットし、基板温度を６５０℃、圧力６．６５×１０-2Ｐａ、酸素流量１２ｓｃｃｍに設定し、ＹＳＺターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射して、パルスレーザ蒸着法により膜厚２００ｎｍのＹＳＺ膜を形成した。
次いで、基板温度を６５０℃、圧力１．３３Ｐａ、酸素流量６ｓｃｃｍに設定し、Ｄｙ2Ｏ3ターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射して、パルスレーザ蒸着法により膜厚５０ｎｍのＤｙ2Ｏ3膜をＹＳＺ膜上に形成した。
次いで、基板温度を６５０℃、圧力１．３３Ｐａ、酸素流量６ｓｃｃｍに設定し、ＣＴＯターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射して、パルスレーザ蒸着法により膜厚１００ｎｍのＣＴＯ膜をＤｙ2Ｏ3膜上に形成した。以上によりシリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜（２００ｎｍ）／Ｄｙ2Ｏ3膜（５０ｎｍ）／ＣＴＯ膜（１００ｎｍ）からなる第１実施例に係る薄膜積層体が形成された。なお括弧内の数値は膜厚を表す。
［比較例］
比較例に係る薄膜積層体は、ＹＳＺ膜上にＤｙ2Ｏ3膜を形成せずに、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3、「ＳＴＯ」と略称する。）膜を形成した以外は第１実施例と同様に形成した。
ＳＴＯ膜は、基板温度を６５０℃、圧力１．３３Ｐａ、酸素流量６ｓｃｃｍに設定し、ＳＴＯターゲットにＫｒＦエキシマレーザを照射して、パルスレーザ蒸着法により膜厚１００ｎｍのＳＴＯ膜をＹＳＺ膜上に形成し、シリコン基板／ＹＳＺ膜／ＳＴＯ膜からなる比較例に係る薄膜積層体が形成された。
図５（Ａ）は、第１の実施の形態の第１実施例に係る薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図、（Ｂ）は本発明によらない比較例に係る薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図である。Ｘ線回折パターンはＸ線ディフラクトメータを使用してＸＲＤ法により２θ−θスキャンにより得たものである。
図５（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、比較例の薄膜積層体はＹＳＺの（００２）および（００４）が観察されているにもかかわらず、ＳＴＯ膜は（０１１）配向し、（００１）配向成分は観察されなかった。これに対して、第１実施例の薄膜積層体では、ＹＳＺの（００２）および（００４）、Ｄｙ2Ｏ3の（００２）、ＣＴＯの（００１）および（００２）が観察され、（０ＬＬ）や（ＬＬＬ）といった指数の回折線が観察されなかったことから、第１実施例に係る薄膜積層体は、（００１）面のシリコン単結晶基板上に形成されたＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜の各層が（００１）面方向エピタキシャル成長していることが分かる。したがって、ＹＳＺ膜上にＤｙ2Ｏ3膜を設けたことにより、Ｄｙ2Ｏ3膜上のＣＴＯ膜を（００１）面方向にエピタキシャル成長することができたことが分かる。
図６は、第１実施例の薄膜積層体のφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。ここでφスキャンは、（１０１）面方向について行った。
図６を参照するに、第１実施例の薄膜積層体を構成する各層の（１０１）面相当の回折線が観察されている。シリコン単結晶基板、ＹＳＺ膜、およびＤｙ2Ｏ3膜では、それぞれが同じ角度にピークが回折ピークが観察された。このことから、ＹＳＺ膜、およびＤｙ2Ｏ3膜はそれぞれの下地にｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅにエピタキシャル成長していることが分かる。一方、ＣＴＯの（１０１）の回折線は、Ｄｙ2Ｏ3の（４０４）に対して４５°ずれて観察された。このことからＣＴＯ膜はＤｙ2Ｏ3膜に対し（００１）面方向を回転軸として４５°回転してエピタキシャル成長していることが分かる。
本願発明者は、単純ペロブスカイト構造膜の（００１）面の成分比率とＣ−希土構造膜の格子定数との関係を実験により得た。なお、Ｃ−希土構造膜の格子定数はＣ−希土構造膜の組成を異ならせ、単純ペロブスカイト構造膜はＣＴＯ膜を用いて第１実施例と同様の方法により形成した。
図７は、単純ペロブスカイト構造膜の（００１）面配向性を示すエピタキシャル成分含有量とＣ−希土構造膜の格子定数との関係を示す図である。ここで、エピタキシャル成分含有量Ｒは、Ｒ＝Ｉ（００２）／｛Ｉ（００２）＋Ｉ（０１１）｝×１００で定義し、Ｉ（００２）および（０１１）上記ＸＲＤ法の２θ−θスキャンにより得られた、それぞれ指数（００２）、（０１１）の回折ピーク強度である。エピタキシャル成分含有量Ｒは、Ｉ（００２）が大きいほど、すなわち（００１）面配向が優勢なほど大きい値を示す。
図７を参照するに、Ｃ−希土構造膜の格子定数が１．０４４ｎｍから大きくなるに従って、エピタキシャル成分含有量Ｒが単調に増加し、１．０６６ｎｍ付近でほぼ１００％となっていることが分かる。ＣＴＯ（擬立方晶）の格子定数は０．３７９ｎｍであり、（００１）面方向を回転軸として４５°回転したＣＴＯの単位胞２個と、Ｃ−希土構造膜の単位胞１個が、０．３７９×２√２＝１．０７２で略一致することが分かる。すなわち、格子定数が約０．４ｎｍを有する単純ペロブスカイト構造膜は、４５°回転することにより格子整合性が向上し、エピタキシャル成長し易いことが分かる。
したがって、単純ペロブスカイト構造膜は、Ｃ−希土構造膜上に（００１）面方向を回転軸として４５°回転してエピタキシャル成長することにより格子整合性が良好であるので結晶性に優れることが分かる。
本実施の形態の薄膜積層体は、単純ペロブスカイト構造膜１４が（００１）面を結晶成長面として形成されているので、この上に他の単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物、例えば強誘電体膜をエピタキシャル成長させることができ、かつその結晶成長方向すなわち積層方向を（００１）方向に配向することができる。したがって、強誘電体膜の分極方向と積層方向とを一致させることができるので、積層方向に電界を印加して動作させるアクチュエータ素子や、フィルター素子、容量素子を備えた強誘電体メモリ、光偏向素子等の圧電性や、電歪性、残留分極量、電気光学効果を向上することができる。
図８は、第１の実施の形態の変形例に係る薄膜積層体の構造を示す分解斜視図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図８を参照するに、本変形例に係る薄膜積層体２０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、非晶質層２１、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４が順次積層された構造となっている。本変形例の薄膜積層体２０は、単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２との間に非晶質層２１が形成されている以外は、上記第１の実施の形態に係る薄膜積層体と同様に形成されている。
非晶質層２１は、膜厚が例えば１０ｎｍ〜１５００ｎｍであり、例えば、単結晶基板１１の表面が酸化されたものであり、単結晶基板１１がシリコン単結晶基板である場合は、シリコン酸化膜より構成されている。単結晶基板１１上に酸化ジルコニウム膜１２を形成した後に熱処理を行うことにより形成される。具体的には、単結晶基板１１がシリコンの場合は、大気圧下で酸素を５Ｌ／分流しながら、１０００℃〜１１００℃で３０分〜３時間の熱処理を行う。この熱処理により、酸化ジルコニウム膜１２から酸素が単結晶基板１１に拡散して、単結晶基板１１の表面に熱酸化による非晶質層２１が形成される。非晶質層２１は、単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２との結合を切り離し、酸化ジルコニウム膜１２の自己再配列により、さらに結晶性を向上することが可能となる。
本変形例によれば、酸化ジルコニウム膜１２の結晶性をさらに向上することにより、酸化ジルコニウム膜１２上に形成されるＣ−希土構造膜１３および単純ペロブスカイト構造膜１４の結晶性をさらに高めることができる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ素子は、上述した第１の実施の形態に係る薄膜積層体を基体として、圧電性・電歪性を有する酸化物膜等を構成したものである。
図９は、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、本実施の形態に係るアクチュエータ素子３０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、酸化物膜３２、上部電極３３が順次積層された構造となっており、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４は第１の実施の形態において説明した態様でエピタキシャル成長して形成され、さらにその上に、下部電極層３１、酸化物膜３２が下地に対してエピタキシャル成長して形成されている。アクチュエータ素子３０は、下部電極層３１と上部電極３３との間に電圧を印加することにより、酸化物膜３２の圧電性、電歪性により、酸化物膜３２の厚さ方向あるいは面内方向に伸縮することにより、基板側に対して上部電極３３側を相対的に変位あるいは反らせることができる。
下部電極層３１は、例えば厚さ２００ｎｍの白金族元素あるいは白金族元素を含む合金、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有する導電性金属酸化物により構成され、単純ペロブスカイト構造膜１４上にエピタキシャル成長して形成されている。白金族の元素は、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔである。このうち特にＩｒ又はＰｔが優れた結晶配向性が得られる点で好ましい。下部電極層３１は、単純ペロブスカイト構造膜１４の（００１）面上に（００１）面が成長する。したがって、下部電極層３１上に形成される酸化物膜３２を（００１）面方向に配向させることができる。また、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有する導電性金属酸化物は、第１の実施の形態で列記したペロブスカイト構造導電性酸化物である。さらに、下部電極層３１にペロブスカイト構造導電性酸化物を用いることにより、単純ペロブスカイト構造膜１４と兼ねる構成としてもよい。下部電極層３１は、例えばスパッタ法、蒸着法等を用いて形成することができる。
また、格子整合性の点で、単純ペロブスカイト構造膜１４と下部電極層３１の好ましい組み合わせは、ＣａＲｕＯ3とＰｔ、ＣａＲｕＯ3とＩｒが挙げられる。
酸化物膜３２は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有し、圧電性または電歪性を示す金属酸化物から構成され、下部電極層３１上に（００１）面方向を成長方向としてエピタキシャル成長して形成される。このような金属酸化物としては、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造を有する金属酸化物が挙げられ、具体的には、第１の実施の形態の単純ペロブスカイト構造膜１４に用いられる金属酸化物として列記した、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造を有するを金属酸化物を用いることが好ましい。これらの金属酸化物は（００１）面方向が分極方向であるので、下部電極層３１−上部電極間３３に印加する電圧による電界の方向と分極方向が一致するので、圧電性、電歪性に優れている。
なお、酸化物膜３２は、（００１）面方向に成長した成分に（０１１）面方向成分が混在する場合もあるが、従来の（０１１）面配向よりも（００１）面方向成分の比率が高く、その結果、圧電性、電歪性に優れている。
酸化物膜３２は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、パルスレーザ蒸着法、ＣＳＤ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。特に大面積を容易に形成できる点でＣＳＤ法が好ましい。
上部電極３３は、酸化物膜３２上に、金属あるいは合金、あるいは導電性酸化物により構成される。上部電極３３に好適な材料としては、酸化されにくい点で、白金族の元素、Ｔｉ、Ｒｕ、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2等の導電性酸化物が挙げられる。上部電極３３は酸化物膜３２上にエピタキシャル成長させる必要はない。上部電極３３は、例えばスパッタ法、蒸着法等を用いて形成することができる。
なお、上部電極３３を形成した後に、酸化物膜３２の歪みや上部電極３３を形成した際のダメージを除去するために、酸素雰囲気中でアクチュエータ素子３０の熱処理、例えば、電気炉を用いて６００℃、６０分間の熱処理を行ってもよい。
なお、下部電極層３１と酸化物膜３２との間、又は酸化物膜３２と上部電極３３との間、またはその両方に、半導性あるいは導電性を示す単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の半導性酸化物膜あるいは導電性酸化物膜をエピタキシャル成長により形成してもよい。具体的には、例えば、半導性酸化物膜材料としては、ＮｂあるいはＬａをドープしたＳｒＴｉＯ3が好適である。ドープ量は例えば１原子％とする。また、導電性酸化物膜材料としては、ＳｒＲｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＬａＲｕＯ3、ＬａxＳｒ1-xＣｏＯ3（０≦ｘ≦１）、ＬａxＳｒ1-xＭｎＯ3（０≦ｘ≦１）が挙げられる。下部電極層３１と上部電極３３との間に交流等の電圧を印可して、酸化物膜３２の分極反転を繰り返すと、下部電極層３１及び上部電極３３と酸化物膜３２との界面の酸素欠損等の格子欠陥に起因して、酸化物膜３２の自発分極が劣化することがある。下部電極層３１及び上部電極３３と酸化物膜３２との間に単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有する半導性あるいは導電性酸化物膜を形成することにより、（００１）面配向を保ちながら、自発分極の劣化を抑制し、酸化物膜３２の優れた圧電性、電歪性の長寿命化を図ることが可能となる。
本実施の形態によれば、アクチュエータ素子３０は、下部電極層３１と上部電極３３との間に電圧が印加され、その電界方向と圧電性・電歪性を示す酸化物膜３２の（００１）面方向が一致するので、優れた圧電性および電歪性を有し、変位量の大きなアクチュエータ素子３０を実現できる。
次に、本実施の形態の第１変形例として、第１の実施の形態の変形例に係る薄膜積層体を用いたアクチュエータ素子について説明する。
図１０は、第２の実施の形態の第１変形例に係るアクチュエータ素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１０を参照するに、第１変形例に係るアクチュエータ素子３５は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、非晶質層２１、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、酸化物膜３２、上部電極３３が順次積層された構造となっており、単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２との間に非晶質層２１が形成されている以外は、第２の実施の形態に係るアクチュエータ素子３５と同様に形成されている。非晶質層２１は、第１の実施の形態の変形例において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
本変形例によれば、非晶質層２１を設けることにより、単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２との結合を切り離し、酸化ジルコニウム膜１２の自己再配列により、さらに結晶性を向上を図ることができ、酸化ジルコニウム膜１２の結晶性を引き継いで酸化物膜３２の結晶性を高め、一層優れた圧電性および電歪性を有し、変位量の大きなアクチュエータ素子を実現できる。
次に、本実施の形態の第２変形例として、単結晶基板の裏面から開口部を設けたアクチュエータ素子について説明する。
図１１は、第２の実施の形態の第２変形例に係るアクチュエータ素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１１を参照するに、第２変形例に係るアクチュエータ素子４０は、裏面に開口部１１−１が形成された単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、酸化物膜３２、上部電極３３が順次積層された構造となっており、単結晶基板１１に、単結晶基板１１の裏面から酸化ジルコニウム膜１２の底面を露出させる開口部１１−１を設けダイヤフラム構造とした以外は、第２の実施の形態に係るアクチュエータ素子４０と同様に形成されている。
単結晶基板１１の開口部１１−１は、例えば上部電極３３を形成後に、単結晶基板１１の裏面にエッチングする領域を開口したレジスト膜を形成し、例えば４５質量％の濃度のＫＯＨ溶液に浸漬して酸化ジルコニウム膜１２が露出するまでエッチングする。なお、上部電極３３等の表面にはレジスト等の保護膜を形成し、エッチングされないようにする。なお、酸化ジルコニウム膜１２を露出させず、単結晶基板１１が数十μｍの厚さを残した凹部としてもよい。
第２変形例によれば、ダイヤフラム構造としたことにより、アクチュエータ素子４０の変位量を増加することができる。
また、第２変形例に係るアクチュエータ素子４０の単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２との間に第１変形例に係るアクチュエータ素子と同様に非晶質層２１を設け、図１２に示す第２の実施の形態の第３変形例に係るアクチュエータ素子４５を構成してもよい。第３変形例に係るアクチュエータ素子４５は、単結晶基板１１の裏面に非晶質層２１の底面が露出する開口部１１−１を形成してもよく、図示を省略したが開口部１１−１の代わりに単結晶基板の一部を残す溝部を形成してもよい。
［第２実施例］
本実施の形態の第２実施例に係るアクチュエータ素子は、図９に示す本実施の形態に係るアクチュエータ素子と同じ構成からなり、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜（２００ｎｍ）／Ｄｙ2Ｏ3膜（５０ｎｍ）／ＣＴＯ膜（１００ｎｍ）／Ｉｒ膜（２００ｎｍ）／ＰＺＴ膜（４００ｎｍ）／Ｐｔ膜（１５０ｎｍ）の構成を有する。なお括弧内の数値は膜厚を表す。
まず、上述した第１実施例と同様の方法により、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜の薄膜積層体を形成した。
次いで、基板温度を６００℃、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、酸素流量１ｓｃｃｍに設定し、Ｉｒのターゲットを用いてスパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩｒ膜をＣＴＯ膜上に形成した。
次いで、基板温度を６００℃、圧力２６．６Ｐａ、酸素流量６ｓｃｃｍに設定し、ＰＺＴ（５２／４８）のターゲットを用いてパルスレーザ蒸着法により膜厚４００ｎｍのＰＺＴ膜をＩｒ膜上に形成した。ここで、（５２／４８）は、ＰｂとＺｒのモル濃度比が５２：４８であることを示す。
次いで、基板温度を室温、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍに設定し、Ｐｔのターゲットを用いてメタルマスクを用いたスパッタ法により膜厚１５０ｎｍの円形のＰｔ膜をＰＺＴ膜上に形成した。
次いで、このようにして得たアクチュエータ素子を基板温度を６００℃、大気圧、酸素流量５Ｌ／分に設定し、６０分間回復アニール処理を行った。回復アニール処理は、主にＰＺＴ膜のダメージを回復させるためである。
以上により、第２実施例に係るアクチュエータ素子を得た。Ｘ線解析によりシリコン単結晶基板上にＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜／Ｉｒ膜／ＰＺＴ膜が（００１）面方向にエピタキシャル成長していることを確認した。
［第３実施例］
本実施の形態の第３実施例に係るアクチュエータ素子は、図１２に示す本実施の形態の第３変形例に係るアクチュエータ素子と同じ構成からなり、開口部を有するシリコン単結晶基板／シリコン熱酸化膜（３００ｎｍ）／ＹＳＺ膜（２００ｎｍ）／Ｄｙ2Ｏ3膜（５０ｎｍ）／ＣＴＯ膜（１００ｎｍ）／Ｐｔ膜（２００ｎｍ）／ＰＬＺＴ膜（２００ｎｍ）／Ｐｔ膜（１５０ｎｍ）の構成を有する。なお括弧内の数値は膜厚を表す。
まず、上述した第１実施例と同様の方法により、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜を形成し、次いで、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜の積層体を電気炉を用いて、基板温度１０５０度、大気圧、酸素流量１０Ｌ／分に設定し、バブリングした水蒸気を送りながら２時間熱酸化処理し、シリコン単結晶基板とＹＳＺ膜との間にシリコン熱酸化膜を形成した。
次いで、第１実施例と同様にして、ＹＳＺ膜上にＤｙ2Ｏ3膜およびＣＴＯ膜を順次形成した。
次いで、基板温度を６００℃、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、酸素流量１ｓｃｃｍに設定し、Ｐｔのターゲットを用いてスパッタ法により膜厚２００ｎｍのＰｔ膜をＣＴＯ膜上に形成した。
次いで、基板を冷却後、市販のＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ１１３／１．５／４５／５５、濃度１５質量％）を白金膜上に約０．３ｃｍ3滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させてＰＬＺＴ膜を形成した。ここでＰＬＺＴ１１３／１．５／４５／５５は、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ１１３：１．５：４５：５５であることを示す。
次いで、ＰＬＺＴ膜を塗布後、基板をホットプレート上で３５０℃１分間加熱して、ＰＬＺＴ膜中の溶媒を揮発させ、次いで室温まで冷却した。このＰＬＺＴ膜を形成する工程を計４回行った。次いで、基板温度を６５０℃、大気圧、酸素流量５Ｌ／分に設定し、１０分間加熱して結晶化し、膜厚２００ｎｍのＰＬＺＴ膜が形成された。
次いで、基板温度を室温とし、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍに設定し、Ｐｔのターゲットを用いて、メタルマスクを用いたスパッタ法により膜厚１５０ｎｍの円形のＰｔ膜をＰＬＺＴ膜上に形成した。次いで、ＰＬＺＴ膜およびＰｔ膜表面に保護膜としてレジスト膜を形成した。
次いで、シリコン単結晶基板の裏面にレジスト膜を形成し、パターニングしてレジスト膜に開口部を形成した。次いで、温度８０℃の飽和ＫＯＨ溶液に浸漬してシリコン単結晶基板を異方性エッチングを行いＹＳＺ膜の底面を露出し、ダイヤフラム構造を形成し、次いで、レジスト膜を剥離した。
このようにして得たアクチュエータ素子を第２実施例と同様にして回復アニール処理を行った。以上により、ダイヤフラム構造を有する第３実施例のアクチュエータ素子を得た。Ｘ線解析によりシリコン単結晶基板上にＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜／Ｐｔ膜／ＰＬＺＴ膜が（００１）面方向にエピタキシャル成長していることを確認した。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るフィルター素子は、上述した第１の実施の形態に係る薄膜積層体を基体として、圧電性を有する酸化物膜等から構成したものである。
図１３（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るフィルター素子の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１３（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、本実施の形態に係るフィルター素子５０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、酸化物膜３２、電極（入力側電極５１ａ、出力側電極５１ｂ、接地電極５１ｃ、吸収体５１ｄ）が順次積層された構造となっており、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４は第１の実施の形態において説明した態様でエピタキシャル成長して形成され、その上に、酸化物膜３２が下地に対して（００１）面方向を成長方向としてエピタキシャル成長して形成されている。酸化物膜３２上には入力側電極５１ａ、出力側電極５１ｂ、接地電極５１ｃが櫛形に形成され、さらに表面弾性波を吸収する吸収体５１ｄが形成されている。
フィルター素子５０は表面弾性波（ＳＡＷ）フィルターであり、入力側電極５１ａに例えばＲＦ帯域の高周波信号を入力され、酸化物膜３２の圧電性により、高周波信号電圧の印加により生じた表面弾性波が出力側電極に伝送され、出力側電極で所定の通過帯域の周波数だけが電気信号として誘起される。
酸化物膜３２は第２の実施の形態で説明した酸化物膜の材料を用いることができる。本実施の形態の酸化物膜３２として特に好ましい材料は、ＰＺＴ、例えば、Ｐｂ1.0Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3が挙げられる。
また、電極（入力側電極５１ａ、出力側電極５１ｂ、接地電極５１ｃ、吸収体５１ｄ）は、第２の実施の形態で説明した上部電極３３と同様の材料を用い、電極のパターニングはメタルマスクを用いたスパッタ法等、公知の薄膜パターニング手法を用いて形成する。
本実施の形態によれば、酸化物膜３２の結晶性が優れ、その結果圧電性が優れているので、電気信号から弾性波、弾性波から電気信号への変換効率を向上することができ損失の少ないフィルター素子５０を実現できる。なお、本実施の形態の薄膜積層体の構成を第１の実施の形態の変形例の薄膜積層体に置き換えてもよい。
［第４実施例］
本実施の形態の第４実施例に係るフィルター素子は、図１３に示す本実施の形態に係るフィルター素子と同じ構成からなり、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜（２００ｎｍ）／Ｄｙ2Ｏ3膜（５０ｎｍ）／ＣＴＯ膜（１００ｎｍ）／ＰＬＺＴ膜（２００ｎｍ）／Ｐｔ膜（１５０ｎｍ）の構成を有する。なお括弧内の数値は膜厚を表す。
まず、上述した第１実施例と同様の方法により、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜の薄膜積層体を形成し、次いで、第３実施例と同様の方法でＰＬＺＴ膜を形成した。
次いで、基板温度を室温とし、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍに設定し、Ｐｔのターゲットを用いて、メタルマスクを用いたスパッタ法により櫛形のＰｔ膜からなる電極をＰＬＺＴ膜上に形成した。
次いで、このようにして得たフィルター素子を第２実施例と同様にして回復アニール処理を行った。以上により、第４実施例に係るフィルター素子を得た。
Ｘ線解析によりシリコン単結晶基板上にＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜／ＰＬＺＴ膜が（００１）面方向にエピタキシャル成長していることを確認した。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る強誘電体メモリは、ゲートに、上述した第１の実施の形態に係る薄膜積層体を基体として強誘電体キャパシタ膜を形成したＭＦＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）−ＦＥＴ型構造の強誘電体メモリである。
図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る強誘電体メモリの断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態に係る強誘電体メモリ６０は、例えば接地電極ＧＮＤに接続されたｎ型導電型のウェル６１に、ソースＳおよびドレインＤとなるｐ型不純物領域６２、６３が形成されたシリコン単結晶基板６４と、シリコン単結晶基板６４上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、強誘電性を有する酸化物膜３２、ゲート電極６５が順次積層された構造となっており、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４は第１の実施の形態において説明した態様でエピタキシャル成長して形成され、さらにその上に、酸化物膜３２が下地に対してエピタキシャル成長して形成されている。
強誘電体メモリ６０は、ゲート電極６５と接地電極ＧＮＤとの間に電圧を印加すると、酸化物膜３２が分極して、この分極した電荷が不純物拡散領域６２、６３間に形成されたチャネルの表面電荷に影響を与える。酸化物膜３２は強誘電性を有するのでその状態を持続し、ゲート電極６５に印加する信号をソースＳとドレインＤ間のコンダクタンスの変化として非破壊で読み出すことができる。
酸化物膜３２は、第２の実施の形態で説明した金属酸化物を用いることができる。分極方向とゲート電極６５−シリコン単結晶基板６４間方向が一致するので、残留分極量を増大することができる。その結果、強誘電体メモリ６０のデータ保持特性や疲労特性に優れ、長期信頼性の高い強誘電体メモリを実現することができる。
本実施の形態の強誘電体メモリ６０は、シリコン単結晶基板６４上に直接形成でき、トランジスタと容量素子を兼ねる構造を有するので高度集積化に優れている。また、エピタキシャル成長により形成され、かつ分極方向と積層方向が一致しているので、酸化物膜３２からのリーク電流を抑制することができる。
なお、図示を省略するが、本実施の形態の強誘電体メモリ６０のゲート積層体の単純ペロブスカイト構造膜１４と酸化物膜３２との間に下部電極層を設け、フローティングゲート上に強誘電性を有する酸化物膜を設けたＭＦＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）−ＦＥＴ型の強誘電体メモリとしてもよい。下部電極層としては、第２の実施の形態のアクチュエータ素子に用いた下部電極層と同じ材料を用いることができる。
また、ゲート積層体の単純ペロブスカイト構造膜１４と酸化物膜３２との間に下部電極層を設け、容量素子として用いることがきることはいうまでもない。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る光偏向素子は、上述した第１の実施の形態に係る薄膜積層体を基体として、導波路型の光偏向素子を形成したものである。
図１５（Ａ）は本発明の第５の実施の形態に係る光偏向素子の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１５（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、本実施の形態に係る光偏向素子７０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、クラッド層７１、コア層７２、上部電極３３が順次積層された構造となっており、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４は第１の実施の形態において説明した態様でエピタキシャル成長して形成され、さらにその上に、下部電極層３１、クラッド層７１、コア層７２がそれぞれの下地に対してエピタキシャル成長して形成されている。
光偏向素子７０は、導波路型の偏向素子を形成し、下部電極層３１と上部電極３３との間に印加される電圧に応じて、上部電極３３の下側のクラッド層７１およびコア層７２には、電気光学効果により屈折率が変化する屈折率変化領域７２ａ、７１ａが形成される。屈折率変化領域７１ａ、７２ａは、上部電極３３と同一の形状を上面とする三角柱状に形成される。コア層７２中を伝搬し、屈折率変化領域に入射した光が、屈折率変化領域７２ａとそれ以外のコア層７２の領域との境界面で、屈折率と入射角との関係から屈折の法則に基づいて決定された屈折角で偏向された射出光が射出される。光偏向素子７０は、下部電極層３１−上部電極３３間に印加される電圧に応じて屈折角が変化し、射出光の方向を制御することができる。
コア層７２及びクラッド層７１は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造を有し、電気光学効果を示す金属酸化物から構成され、例えば、第２の実施の形態における酸化物膜と同様の金属酸化物から構成される。コア層７２及びクラッド層７１は、電気光学効果が大きい点でそれぞれＰＬＺＴ（例えば、Ｐｂ0.865Ｌａ0.09Ｚｒ0.65Ｔｉ0.35Ｏ3）、ＰＺＴ（例えば、Ｐｂ1.0Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3から構成されることが好ましい。
コア層７２は、クラッド層７１よりも屈折率が高い材料から構成される。例えば、コア層７２を屈折率が２．４５のＰＺＴ膜とし、クラッド層７１を屈折率が２．３６のＰＬＺＴ膜に設定する。このように設定することにより、コア層７２を伝搬する光はクラッド層７１表面で全反射する。なお、コア層７２の上側の空気層との境界においても空気層の屈折率は１．０程度であるので、コア層７２を伝搬する光は全反射する。したがって、他の層に拡散することなくコア層７２内を光が伝搬することができる。
クラッド層７１の光吸収より生じる損失の点からは、クラッド層７１の屈折率は、コア層７２の屈折率に対して０．５％以上小さければよい。差が０．５％よりも小さい場合はコア層７２を伝搬する光がクラッド層７１との界面において全反射し難くなり光損失が大となる。
本実施の形態に光偏向素子７０は、下部電極層３１と上部電極３３との間に印加する電圧を、例えば、下部電極層３１に対して上部電極３３に２５Ｖ〜１００Ｖを印加・掃引すると、±０．５度〜２度の偏向角θが得られる。
本実施の形態によれば、クラッド層７１およびコア層７２の分極方向と下部電極層３１−上部電極３３間方向が一致するので、電気光学効果に優れ、偏向角が大きい光偏向素子を実現することができる。
また、光偏向素子７０は、クラッド層７１およびコア層７２の結晶性が良好であるので電気光学効果に優れる。
光偏向素子７０は、電圧の印加によって、コア層７２の屈折率変化領域７２ａのみならず、クラッド層７１の屈折率変化領域７１ａの屈折率も変化するので、光損失の増大を抑制することができる。
次に、本実施の形態の光偏向素子の変形例を図１６〜図１９を参照しつつ説明する。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１６は、第５の実施の形態の第１変形例に係る光偏向素子の断面図である。図１６を参照するに、第１変形例に係る光偏向素子７５は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、クラッド層７１、コア層７２が順次積層され、コア層７２上に上部電極３３およびプリズム７６が配置された構成からなり、コア層７２上にプリズム７６を設けた以外は第５の実施の形態の光偏向素子と同様に構成されている。光偏向素子７５は、外部からの入射光をプリズム７６によりコア層７２内の屈折率変化領域７２ａに導入し、第５の実施の形態の光偏向素子と同様に入射光を偏向することができるようなっている。
図１７は、第５の実施の形態の第２変形例に係る光偏向素子の断面図である。図１７を参照するに、第２変形例に係る光偏向素子８０は、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に、酸化ジルコニウム膜１２、Ｃ−希土構造膜１３、単純ペロブスカイト構造膜１４、下部電極層３１、クラッド層７１、コア層７２、クラッド層８１、上部電極３３が順次積層された構成からなり、コア層７２上にクラッド層８１を設けた以外は第５の実施の形態の光偏向素子と同様に構成されている。
第２変形例に係る光偏向素子８０は、コア層７２上にさらにクラッド層８１を設けた導波路型の光偏向素子を構成し、第５の実施の形態の光偏向素子と同様に、コア層７２内を上下のクラッド層７１、８１との界面で全反射を繰り返しながら伝搬する入射光を屈折率変化領域７２ａとそれ以外のコア層７２の領域との境界面で、下部電極層３１−上部電極３３間に印加される電圧に応じて偏向される。
コア層７２上に形成されたクラッド層８１は、コア層７２の下側のクラッド層７１と同様の金属酸化物材料から構成され、コア層７２上に（００１）面方向を成長方向としてエピタキシャル成長により形成される。したがって、クラッド層８１は結晶性が良好であり、電気光学効果に優れているので、クラッド層８１の屈折率変化領域８１ａでは、印加される電圧に応じて屈折率が変化するので、コア層７２とは所定の屈折率差を維持することができる。したがって、光偏向素子８０は、屈折率変化領域７２ａ、８１ａにおけるクラッド層８１の光吸収による損失を抑制することができる。
さらに、上述した第５の実施の形態に係る光偏向素子およびその第２変形例に係る光偏向素子の単結晶基板１１と酸化ジルコニウム膜１２に非晶質層２１を設け、それぞれ図１８に示す第３変形例に係る光偏向素子８５、および図１９に示す第４変形例に係る光偏向素子９０を構成してもよい。非晶質層２１を第１の実施の形態の変形例に係る薄膜積層体と同様に形成することで、非晶質層２１上に形成された酸化ジルコニウム膜１２の結晶性が向上し、その結晶性がエピタキシャル成長により上層へと引き継がれる。したがって、クラッド層７１、８１およびコア層７２はその結晶性が向上され、一層優れた電気光学効果を有する。
なお、本実施の形態およびその第１〜第４変形例に係る光偏向素子は、単純ペロブスカイト構造膜１４あるいは下部電極層３１に第１の実施の形態で説明したペロブスカイト構造導電性酸化物を用いて、単純ペロブスカイト構造膜１４と下部電極層３１を兼ねた構成としてもよい。また、単純ペロブスカイト構造膜１４と下部電極層３１との好ましい組み合わせは第２の実施の形態と同様である。
また、本実施の形態の光偏向素子は、上述したように光導波路として使用することができる。光導波路として構成する場合は、本実施の形態およびその第１〜第４変形例において下部電極層３１および上部電極３３を省略してよい。
また、本発明は、光偏向素子以外にブラッグ反射型スイッチ、全反射型スイッチ、方向性結合スイッチ、マッハツェンダ干渉スイッチ、位相変調素子、モード変換素子、波長フィルター素子等電気光学効果を用いるすべての光導波路素子において同様に適応可能である。
［第５実施例］
本実施の形態の第５実施例に係る光偏向素子は、図１７に示す本実施の形態の第２変形例に係る光偏向素子と同じ構成からなり、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜（２００ｎｍ）／Ｄｙ2Ｏ3膜（５０ｎｍ）／ＣＴＯ膜（１００ｎｍ）／Ｐｔ膜（２００ｎｍ）／ＰＬＺＴ膜（２．２μｍ）／ＰＺＴ膜（２．６μｍ）／ＰＬＺＴ膜（２．２μｍ）／Ｐｔ膜（１５０ｎｍ）の構成を有する。なお括弧内の数値は膜厚を表す。
まず、上述した第３実施例と同様の方法により、シリコン単結晶基板／ＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜／Ｐｔ膜の積層体を形成した。
次いで、基板を冷却後、ＣＳＤ法により下部クラッド層となるＰＬＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ９／６５／３５、濃度１７質量％）を白金膜上に約０．３ｃｍ3滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させてＰＬＺＴ膜を形成した。ここでＰＬＺＴ９／６５／３５は、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ１１３：９：６５：３５であることを示す。次いで、ＰＬＺＴ膜を塗布後、基板を１４０℃に予熱したホットプレート上で５分保持して溶媒を揮発させ、さらに３５０℃に予熱したホットプレート上で５分保持して塗布した膜を熱分解させた。次いで、基板を室温まで冷却後、ＲＴＡ炉を用いて基板温度６５０℃、酸素流量を５Ｌ／分に設定し、１０分間加熱処理を行いＰＬＺＴ膜を結晶化させた。このようにして得られた結晶化後のＰＬＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。このＰＬＺＴ膜上にさらに１０回上記ＰＬＺＴ膜を同様にして積層した。最終的なＰＬＺＴ膜（下部クラッド層）の膜厚は２．２μｍであった。
次いで、ＣＳＤ法によりコア層となるＰＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＺＴ薄膜形成剤（ＰＺＴ５２／４８、濃度１７質量％）をＰＬＺＴ膜上に約０．３ｃｍ3滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させてＰＺＴ膜を形成した。ここでＰＺＴ５２／４８は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ１１３：５２：４８であることを示す。次いで、ＰＺＴ膜を塗布後、基板を１４０℃に予熱したホットプレート上で５分保持して溶媒を揮発させ、さらに３５０℃に予熱したホットプレート上で５分保持して塗布した膜を熱分解させた。次いで、上述したＰＬＺＴ膜と同様にして結晶化させた。このようにして得られた結晶化後のＰＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。このＰＺＴ膜上に同様にしてさらにＰＺＴ膜を１２回積層した。最終的なＰＺＴ膜（コア層）の膜厚は２．６μｍであった。
次いで、ＣＳＤ法により上部クラッド層となるＰＬＺＴ膜を形成した。ＰＬＺＴ膜は、上述した下部クラッド層のＰＬＺＴ膜と同様に形成し、最終的な膜厚は２．２μｍであった。
次いで、基板温度を室温とし、圧力１Ｐａ、アルゴン流量３０ｓｃｃｍに設定し、Ｐｔのターゲットを用いて、三角形状の開口部を有するメタルマスクを用いたスパッタ法により膜厚１５０ｎｍの三角形状のＰｔ膜をＰＬＺＴ膜上に形成した。
次いで、このようにして得た光偏向素子を第２実施例と同様にして回復アニール処理を行った。以上により、第５実施例に係る光偏向素子を得た。
Ｘ線解析によりシリコン単結晶基板上にＹＳＺ膜／Ｄｙ2Ｏ3膜／ＣＴＯ膜／Ｐｔ膜／ＰＬＺＴ膜／ＰＺＴ膜／ＰＬＺＴ膜が（００１）面方向にエピタキシャル成長していることを確認した。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１） 単結晶基板と、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、を備えた薄膜積層体。
（付記２） 前記エピタキシャル成長の成長方向は（００１）面方向であり、
前記中間層およびＣ−希土構造膜が、各々の下地に対してｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅに成長してなり、前記単純ペロブスカイト構造膜がＣ−希土構造膜に対して成長方向を回転軸として実質的に４５度回転して成長してなることを特徴とする付記１記載の薄膜積層体。
（付記３） 前記単結晶基板と中間層との間に単結晶基板表面が非晶質化された非晶質層をさらに備えることを特徴とする付記１または２記載の薄膜積層体。
（付記４） 前記単結晶基板はシリコン基板からなり、前記非晶質層がシリコン酸化膜からなることを特徴とする付記３記載の薄膜積層体。
（付記５） 前記中間層が、酸化ジルコニウムと、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｒ、およびＬａを含む酸化物からなる群のうち少なくとも１種の酸化物を含むことを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
（付記６） 前記中間層が酸化ジルコニウムとＹ2Ｏ3からなり、
前記Ｙ2Ｏ3の含有量が２ｍｏｌ％〜５２ｍｏｌ％であることを特徴とする付記５記載の薄膜積層体。
（付記７） 前記中間層が、酸化ジルコニウムと、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａを含む酸化物からなる群のうち少なくとも１種の酸化物を含むことを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
（付記８） 前記中間層が酸化ジルコニウムとＣａＯからなり、
前記ＣａＯの含有量が２ｍｏｌ％〜２７ｍｏｌ％であることを特徴とする付記７記載の薄膜積層体。
（付記９） 前記中間層の結晶構造が立方晶であることを特徴とする付記５〜８のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
（付記１０） 前記Ｃ−希土構造膜は、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｓｍ、およびＥｒからなる群のうち少なくとも１種の元素を含む酸化物からなることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
（付記１１） 前記単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造が、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、およびタングステンブロンズ構造からなる群のうちいずれかの構造であることを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
（付記１２） 単結晶基板と、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素または白金族元素を含む合金からなる下部電極層と、
前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物膜と、
前記酸化物膜上に形成された上部電極と、を備え、
前記酸化物膜が圧電性または電歪性を有するアクチュエータ素子。
（付記１３） 前記単結晶基板と中間層との間に単結晶基板表面が非晶質化された非晶質層をさらに備えることを特徴とする付記１２記載のアクチュエータ素子。
（付記１４） 前記基板の裏面に溝部、あるいは前記中間層または非晶質層の底面を露出させる開口部が形成されてなることを特徴とする付記１２または１３記載のアクチュエータ素子。
（付記１５） 前記酸化物膜は、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、およびタングステンブロンズ構造からなる群のうちいずれかの構造を有する金属酸化物からなることを特徴とする付記１２〜１４のうち、いずれか一項記載のアクチュエータ素子。
（付記１６） 前記酸化物膜は、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ1-3y/2Ｌａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）O3（０≦ｘ、ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ’1/3Ｂ”2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は２価の金属、Ｂ”は５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’1/2Ｂ”1/2）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は３価の金属及びＢ”は５価の金属、またはＢ’は２価の金属及びＢ”は６価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’1/3Ｂ”2/3）xＴｉyＺｒ1-x-yＯ3（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は６価の金属及びＢ”は３価の金属）、および（Ｂａ1-xＳｒx）ＴｉO3（０≦ｘ≦１）からなる群のうち少なくとも１種を含むことを特徴とする付記１５記載のアクチュエータ素子。
（付記１７） 単結晶基板と、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
前記単純ペロブスカイト構造膜上に形成された入力用電極および出力用電極と、を備え、
前記単純ペロブスカイト構造膜が圧電性を有することを特徴とするフィルター素子。
（付記１８） 単結晶基板と、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物と、
前記酸化物膜上に形成された入力用電極および出力用電極とを備え、
前記酸化物膜が圧電性を示すフィルター素子。
（付記１９） 単結晶基板と、
ソースおよびドレイン電極が各々接続される２つの不純物拡散領域が形成された単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成された薄膜積層体と、
前記薄膜積層体上に形成されたゲート電極とを備える強誘電体メモリであって、
前記薄膜積層体は、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜とからなり、
前記単純ペロブスカイト構造膜が強誘電性を有することを特徴とする強誘電体メモリ。
（付記２０） 単結晶基板と、
ソースおよびドレイン電極が各々接続される２つの不純物拡散領域が形成された単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成された薄膜積層体と、
前記薄膜積層体上に形成されたゲート電極とを備える強誘電体メモリであって、
前記薄膜積層体は、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物とからなり、
前記酸化物膜が強誘電性を有することを特徴とする強誘電体メモリ。
（付記２１） 単結晶基板と、
前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素またはその合金からなる下部電極層と、
前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された第１の酸化物膜と、
前記第１の酸化物膜上にエピタキシャル成長により形成された第２の酸化物膜と、
前記第２の酸化物膜上に形成された電極とを備え、
前記第２の酸化物膜および第２の酸化物膜は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなると共に電気光学効果を有し、
前記第２の酸化物膜は、第１の酸化物膜よりも屈折率が大きい光偏向素子。
（付記２２） 前記第２の酸化物膜上にエピタキシャル成長により形成された第３の酸化物膜をさらに備え、
前記第３の酸化物膜は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなると共に電気光学効果を有し、
前記第２の酸化物膜は第３の酸化物膜よりも屈折率が大きいことを特徴とする付記２１記載の光偏向素子。
（付記２３） 前記第２の酸化物または第３の酸化物膜上にプリズムをさらに有し、
当該光偏向素子の外部から前記プリズムを介して第２の酸化物膜に入射光を導入することを特徴とする付記２１または２２記載の光偏向素子。
（付記２４） 前記単結晶基板と中間層との間に単結晶基板表面が非晶質化された非晶質層をさらに備えることを特徴とする付記２１〜２３のうち、いずれか一項記載の光偏向素子。
本発明の第１の実施の形態に係る薄膜積層体の構造を示す分解斜視図である。 Ｃ−希土構造の結晶構造を説明するための図である。 Ａ−希土構造の結晶構造を説明するための図である。 単純ペロブスカイト格子の構造を説明するための図である。 （Ａ）は、第１の実施の形態の第１実施例に係る薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図、（Ｂ）は本発明によらない比較例に係る薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図である。 第１実施例の薄膜積層体のφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。 単純ペロブスカイト構造膜の配向性とＣ−希土構造膜の格子定数との関係を示す図である。 第１の実施の形態の変形例に係る薄膜積層体の構造を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ素子の断面図である。 第２の実施の形態の第１変形例に係るアクチュエータ素子の断面図である。 第２の実施の形態の第２変形例に係るアクチュエータ素子の断面図である。 第２の実施の形態の第３変形例に係るアクチュエータ素子の断面図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るフィルター素子の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る強誘電体メモリの断面図である。 （Ａ）は本発明の第５の実施の形態に係る光偏向素子の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図である。 第５の実施の形態の第１変形例に係る光偏向素子の断面図である。 第５の実施の形態の第２変形例に係る光偏向素子の断面図である。 第５の実施の形態の第３変形例に係る光偏向素子の断面図である。 第５の実施の形態の第４変形例に係る光偏向素子の断面図である。
符号の説明
１０、２０ 薄膜積層体
１１ 単結晶基板
１１−１ 開口部
１２ 酸化ジルコニウム膜
１３ Ｃ−希土構造膜
１４ 単純ペロブスカイト構造膜
２１ 非晶質層
３０、３５、４０、４５ アクチュエータ素子
３１ 下部電極層
３２ 酸化物膜
３３ 上部電極
５０ フィルター素子
５１ａ〜５１ｄ 電極
６０ 強誘電体メモリ
６１ ウェル
６２、６３ 不純物拡散領域
６４ シリコン単結晶基板
６５ ゲート電極
７０、７５、８０、８５、９０ 光偏向素子
７１、８１ クラッド層
７１ａ、７２ａ、８１ａ 屈折率変化領域
７２ コア層
７６ プリズム

Claims (10)

  1. 単結晶基板と、
    前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
    前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
    前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、を備えた薄膜積層体。
  2. 前記エピタキシャル成長の成長方向は（００１）面方向であり、
    前記中間層およびＣ−希土構造膜が、各々の下地に対してｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅに成長してなり、前記単純ペロブスカイト構造膜がＣ−希土構造膜に対して成長方向を回転軸として実質的に４５度回転して成長してなることを特徴とする請求項１記載の薄膜積層体。
  3. 前記単結晶基板と中間層との間に単結晶基板表面が非晶質化された非晶質層をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜積層体。
  4. 前記Ｃ−希土構造膜は、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｓｍ、およびＥｒからなる群のうち少なくとも１種の元素を含む酸化物からなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の薄膜積層体。
  5. 単結晶基板と、
    前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
    前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
    前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
    前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素または白金族元素を含む合金からなる下部電極層と、
    前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物膜と、
    前記酸化物膜上に形成された上部電極と、を備え、
    前記酸化物膜が圧電性または電歪性を有するアクチュエータ素子。
  6. 前記単結晶基板と中間層との間に単結晶基板表面が非晶質化された非晶質層をさらに備えることを特徴とする請求項５記載のアクチュエータ素子。
  7. 単結晶基板と、
    前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
    前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
    前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
    前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物と、
    前記酸化物膜上に形成された入力用電極および出力用電極とを備え、
    前記酸化物膜が圧電性を示すフィルター素子。
  8. 単結晶基板と、
    ソースおよびドレイン電極が各々接続される２つの不純物拡散領域が形成された単結晶基板と、
    前記単結晶基板上に形成された薄膜積層体と、
    前記薄膜積層体上に形成されたゲート電極とを備える強誘電体メモリであって、
    前記薄膜積層体は、
    前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
    前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
    前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
    前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる酸化物とからなり、
    前記酸化物膜が強誘電性を有することを特徴とする強誘電体メモリ。
  9. 単結晶基板と、
    前記単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする中間層と、
    前記中間層上にエピタキシャル成長により形成されたＣ−希土構造の結晶構造を有する酸化物からなるＣ−希土構造膜と、
    前記Ｃ−希土構造膜上にエピタキシャル成長により形成された単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなる単純ペロブスカイト構造膜と、
    前記単純ペロブスカイト構造膜上にエピタキシャル成長により形成された白金族元素またはその合金からなる下部電極層と、
    前記下部電極層上にエピタキシャル成長により形成された第１の酸化物膜と、
    前記第１の酸化物膜上にエピタキシャル成長により形成された第２の酸化物膜と、
    前記第２の酸化物膜上に形成された電極とを備え、
    前記第２の酸化物膜および第２の酸化物膜は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなると共に電気光学効果を有し、
    前記第２の酸化物膜は、第１の酸化物膜よりも屈折率が大きい光偏向素子。
  10. 前記第２の酸化物膜上にエピタキシャル成長により形成された第３の酸化物膜をさらに備え、
    前記第３の酸化物膜は、単純ペロブスカイト格子を有する結晶構造の金属酸化物からなると共に電気光学効果を有し、
    前記第２の酸化物膜は第３の酸化物膜よりも屈折率が大きいことを特徴とする請求項９記載の光偏向素子。
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