JP2013168530A - ペロブスカイト機能積層膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】積層順に、単結晶基板2、バッファー層3,4、金属薄膜5、下地ペロブスカイト構造膜6、ペロブスカイト機能膜7、という膜構成であって、単結晶基板1の結晶方位の面内成分とペロブスカイト機能膜7の結晶方位の面内成分の回転角の差異が、1°以内であるペロブスカイト機能積層膜1である。
【選択図】図2
Description
。
である。
図1で、本実施形態で用いる基板2は、Si、MgO、SrTiO3、LiNbO3等の各種単結晶から選択することができるが、Si(100)単結晶表面を有する基板が最も好ましい。Si単結晶基板を用いる場合、基板と積層薄膜とは、それぞれの面内に存在する軸同士も平行となる。
図1のバッファ層31は、金属薄膜5と基板2との間に設けられる。なお、バッファ層3は、絶縁体としても機能する。
図1において、金属薄膜5を設ける理由は、以下の通りである。本実施形態のペロブスカイト機能積層膜1を電子デバイスの構成要素として利用する場合、金属薄膜5は主に電極として機能する。金属薄膜5は、バッファー層31のc軸配向を引継ぎc軸配向にエピタキシャル成長し、又上層の下地ペロブスカイト構造膜6をc軸配向にエピタキシャル成長させその面内面方位を単結晶基板と合致させる機能を有する。
下地ペロブスカイト構造膜層6は、金属薄膜5とペロブスカイト機能膜7との間に設けられ、基板2とペロブスカイト機能膜7の結晶方位の面内成分を揃えるために機能する。その為、下地ペロブスカイト構造膜6は、上層に積層されるペロブスカイト機能膜7の結晶の格子定数値と下層に積層されている金属薄膜5の結晶の格子定数値の中間値に近い格子定数値を持つペロブスカイト材料を選択することが望ましい。
ペロブスカイト機能膜7は、下地ペロブスカイト構造膜6の上層に積層され機能膜として諸特性を持ち合わせ、そのペロブスカイト機能膜7を使用したデバイスのデバイス特性を意味付ける特性の根幹膜である。本実施形態に関しての実施例としては、強誘電体のPZT膜をあげているが、ペロブスカイト機能膜7としての特性は、超伝導体、誘電体、圧電体、焦電体、熱電体、他、多種の特性を持ち合わせる材料にて応用可能である。
図1に示すペロブスカイト機能積層膜1を構成するペロブスカイト機能膜7、下地ペロブスカイト構造膜6、金属薄膜5、及びバッファー層3の結晶性は、X線回折における反射ピークのロッキングカーブの半値幅や、反射高速電子線回折像のパターンで評価することができる。また、表面性は、原子間力顕微鏡および走査型電子顕微鏡で評価することができる。
本実施形態により、単結晶基板2とペロブスカイト機能膜7の結晶方位の面内成分の回転角の差異が1°以内になり、各積層膜の、物性上及び成膜後のばらつきが減少することにより、従来と比較し、ペロブスカイト機能膜7の、各積層膜間の面内面方位の差異による弾性率の安定性、各積層膜間の密着性等の信頼性の向上が見込まれる。
図1において、Si(100)からなる単結晶基板2上に、ZrO2からなる第1のバッファー層3、Ptからなる金属薄膜5、SrRuO3からなる下地ペロブスカイト構造膜6、PZTからなるペロブスカイト機能膜7、がこの順で積層されたペロブスカイト機能積層膜1を、以下の手順で形成した。
Si(100)からなる単結晶基板2上に、ZrO2からなる第1のバッファー層3、Y2O3からなる第2のバッファー層4、Ptからなる金属薄膜5、SrRuO3からなる下地ペロブスカイト構造膜6、PZTからなるペロブスカイト機能膜7、がこの順で積層されたペロブスカイト機能積層膜1を、以下の手順で形成した。
実施例1に対して、Ptからなる金属薄膜5上に下地ペロブスカイト構造膜6としてPb(La、Ti)O3(以下、PLTと表記)を20nmの厚さに形成して、上から順に、PZT/PLT/Pt/傾斜組成膜/Siの積層薄膜を得た。ただし、PLT、PZT形成時の基板温度は、650℃で行った。薄膜のX線回折データおよびインプレーン確認データを、前述同様に、それぞれ図7および表4、表5に示す。図7の、X線回折結果よりPLTおよびPZT薄膜はc面単一配向膜であることがわかる。傾斜組成膜というのは、ZrO2薄膜とY2O3薄膜の傾斜組成膜である。
実施例4は、実施例1に対して、ペロブスカイト機能膜7、下地ペロブスカイト構造膜6の積層構造としてSrTiNbO3/SrTiO3をそれぞれ20nm、50nmの厚さに形成して、上から順に、SrTiNbO3/SrTiO3/Pt/傾斜組成膜/Siのペロブスカイト機能積層膜1とした。ただし、SrTiO3、SrTiNbO3、形成時の基板温度は、800℃、750℃で行った。傾斜組成膜というのは、ZrO2薄膜とY2O3薄膜の傾斜組成膜である。
実施例5は、実施例1において、Si基板を、MgO単結晶基板におきかえ、MgO基板上に実施例1と同様にPtを成膜し、Ptの上にSrRuO3を20nm成膜し、SrRuO3上にPZTを50nmの厚さに形成し、上から順に、PZT/SrRuO3/Pt/傾斜組成膜/MgOの積層薄膜とした。傾斜組成膜31というのは、ZrO2薄膜とY2O3薄膜の傾斜組成膜である。
限定されることなく、MgOの様に絶縁物でありSiと格子定数も結晶構造も違う基板でも幅広く活用できる事を示している。
実施例6は、実施例5において、MgO基板をLiNbO3単結晶基板におきかえた構成であり、上から順に、PZT/SrRuO3/Pt/傾斜組成膜/LiNbO3のペロブスカイト機能積層膜1とした。
実施例7は、変形例1において、MgO基板をSrTiO3単結晶基板におきかえた構成であり、上から順に、SrTiNbO3/SrTiO3/Pt/傾斜組成膜/SrTiO3のペロブスカイト機能積層膜1とした。SrTiO3基板上に、変形例1と同様に金属薄膜5Ptを成膜し、Ptの上に下地ペロブスカイト構造膜6SrTiO3を20nm成膜し、SrTiO3上にペロブスカイト機能膜7SrTiNbO3を50nmの厚さに形成した。
2、20 基板
21 入射X線
22 面内回転軸
23 回折X線
24 回折ピーク検出角度θχ
25 面内回転軸を面内回転動作させた角度φ
31 バッファー層
3 第1のバッファー層
4 第2のバッファー層
5 金属薄膜
6 下地ペロブスカイト構造膜
7 ペロブスカイト機能膜
10 蒸着装置
10A 真空槽
30 ホルダ
40 回転軸
50 モータ
60 ヒータ
70 酸化性ガス供給装置
80 ノズル
90A Zr蒸発部
90B 希土類元素蒸発部
91 アウトオブプレーン検出器
92 インプレーン検出器
Claims (6)
- 単結晶基板上にエピタキシャル成長させた単層もしくは複数層から成るペロブスカイト機能膜を有し、
前記ペロブスカイト機能膜の下地膜であって、エピタキシャル成長した、ZrO2及びY2O3を含むバッファー層を備え、
前記ペロブスカイト機能膜と前記バッファー層との間に、エピタキシャル成長した、単層もしくは複数層から成る下地ペロブスカイト構造膜を備え、
前記下地ペロブスカイト構造膜と前記バッファー層の間に形成され、エピタキシャル成長した、Pt、Ir、Pd、Ru、Rhの少なくとも1種を主成分とする金属薄膜を備え、
前記単結晶基板の結晶方位の面内成分と前記ペロブスカイト機能膜の結晶方位の面内成分の回転角の差異が、1°以内であることを特徴とするペロブスカイト機能積層膜。 - 前記バッファー層は、ZrO2及びY2O3を含む傾斜組成構造膜であることを特徴とする請求項1に記載のペロブスカイト機能積層膜。
- 前記バッファー層は、ZrO2から成る第1のバッファー層およびY2O3から成る第2のバッファー層から成ることを特徴とする請求項1に記載のペロブスカイト機能積層膜。
- 前記単結晶基板の結晶方位の面内成分と前記下地ペロブスカイト構造膜層の結晶方位の面内成分の回転角の差異が1°以内であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のペロブスカイト機能積層膜。
- 前記単結晶基板の結晶方位の面内成分と前記金属薄膜の結晶方位の面内成分の回転角の差異が1°以内であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のペロブスカイト機能積層膜。
- 前記単結晶基板は、Si、MgO、SrTiO3、LiNbO3のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のペロブスカイト機能積層膜。
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