JP2015107904A - 非鉛誘電体薄膜形成用液組成物及びその薄膜の形成方法並びにその方法で形成された非鉛誘電体薄膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛フリーで、高い比誘電率を有する非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための液組成物を提供する。
【解決手段】本発明の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物は、ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための液組成物である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物は、ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための液組成物である。
【選択図】図１
Description
本発明は、鉛フリーで、高い比誘電率を有し、ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有する非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition法)により形成するための非鉛誘電体薄膜形成用液組成物及びその薄膜の形成方法並びにその方法で形成された非鉛誘電体薄膜に関する。
近年、鉛含有の誘電体薄膜を用いた各種電子機器の廃棄後の環境負荷を危惧し、鉛フリーの誘電体薄膜が求められている。こうした鉛フリーの誘電体薄膜として、ＢａＴｉＯ3や(Ｂａ,Ｓｒ)ＴｉＯ3が高い比誘電率を有するキャパシタ材料として広く用いられている。しかしながら、ＢａＴｉＯ3膜や(Ｂａ,Ｓｒ)ＴｉＯ3膜において、より高い比誘電率を実現するためには高いプロセス温度が必要であり、一方で、キャパシタのＰｔなどの金属電極は高温処理にて劣化するため、成膜プロセス温度の低減が必要であり、低温で容易に結晶化しかつ高い比誘電率を有する新規な誘電体組成が求められている。１つの手法として、ビスマス(Ｂｉ)化合物を材料系内に含有することで、結晶化温度を低減できることがＢａＴｉＯ3焼結体においては知られているが、薄膜の場合の知見は乏しい。
非特許文献１には、ＢａＴｉＯ3とＢｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の二元系組成物をパルスレーザ蒸着法によりエピタキシャル成長させて形成された薄膜が示されている。また非特許文献２には、ＢａＴｉＯ3とＢｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3とＢｉＦｅＯ3の三元系組成物で構成された焼結体が示されている。この焼結体は、一般的なセラミックス粉から焼結体を得る方法で製造される。例えば、この焼結体は、原料の酸化物粉末を所定の配合比で湿式混合する工程と、この混合粉を乾燥し仮焼する工程と、仮焼粉を粉砕する工程と、粉砕物を再度湿式混合する工程と、混合粉にバインダを添加して造粒粉を得る工程と、造粒粉を整粒する工程と、整粒粉を金型に入れて加圧成形する工程と、この成形体からバインダを除去する工程と、この成形体を焼成する工程を経て製造される。
H. Tanaka et al., J. Appl. Phys. 111 (2012) 084108
I. Fujii et al., Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 09ND07
上記非特許文献１に示される薄膜は二元系であり、高価な真空プロセスの１種であるパルスレーザ蒸着法で作製されるため量産成膜性に課題があり、かつ複雑な組成を成膜するため大きな基板上での膜組成の均一性に問題があった。また非特許文献２に示される焼結体は、数多くの工程を要する上、バルクの焼結体であって薄膜でないため、誘電体薄膜に適用できない問題があった。
本発明の目的は、鉛フリーで、高い比誘電率を有する誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を提供することにある。
本発明の第１の観点は、ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための非鉛誘電体薄膜形成用液組成物である。
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、第１領域内の組成であって、ｘ＝０．７０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．５０・ｚ＝０．２０とで囲まれた第２領域内の組成である非鉛誘電体薄膜形成用液組成物である。
本発明の第３の観点は、第２の観点に基づく発明であって、第２領域内の組成であって、ｘ＝０．４０・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．５０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．３０・ｚ＝０．４０とで囲まれた第３領域内の組成である非鉛誘電体薄膜形成用液組成物である。
本発明の第４の観点は、第１の観点に基づく発明であって、第１領域内の組成であって、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．８０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．３１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．４０とで囲まれた第４領域内の組成である非鉛誘電体薄膜形成用液組成物である。
本発明の第５の観点は、ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を基板に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、前記基板に形成された塗膜を、空気中、酸化雰囲気中又は含水蒸気雰囲気中で加熱して乾燥する乾燥工程と、前記乾燥工程の途中から或いは完了後に前記塗膜を、Ｏ2，Ｎ2，Ａｒ，Ｎ2Ｏ，Ｈ2若しくはこれらの混合ガス中又は乾燥空気中或いは水蒸気を含む前記雰囲気中で結晶化温度以上で焼成する焼成工程とを含む非鉛誘電体薄膜の形成方法である。
本発明の第６の観点は、第５の観点に基づく発明であって、前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．７０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．５０・ｚ＝０．２０とで囲まれた第２領域内の組成である非鉛誘電体薄膜の形成方法である。
本発明の第７の観点は、第６の観点に基づく発明であって、前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第２領域内の組成であって、ｘ＝０．４０・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．５０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．３０・ｚ＝０．４０とで囲まれた第３領域内の組成である非鉛誘電体薄膜の形成方法である。
本発明の第８の観点は、第５の観点に基づく発明であって、前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．８０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．３１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．４０とで囲まれた第４領域内の組成である非鉛誘電体薄膜の形成方法である。
本発明の第９の観点は、第５ないし第８の観点のいずれかの観点に基づく発明であって、前記塗布工程及び前記乾燥工程が複数回繰り返され、前記焼成工程が前記複数回繰り返された最終乾燥工程の途中から或いは完了後に前記塗膜を、Ｏ2，Ｎ2，Ａｒ，Ｎ2Ｏ，Ｈ2若しくはこれらの混合ガス中又は乾燥空気中或いは水蒸気を含む前記雰囲気中で結晶化温度以上で焼成する工程である非鉛誘電体薄膜の形成方法である。
本発明の第１０の観点は、第５ないし第８の観点のいずれかの観点に基づく方法により形成された結晶質の非鉛誘電体薄膜である。
本発明の第１１の観点は、第１０の観点に基づく非鉛誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、ＬＣノイズフィルタ素子、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、又は焦電型赤外線検出素子のいずれかからなる複合電子部品である。
本発明の第１２の観点は、第１０の観点に基づく非鉛誘電体薄膜を有する圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、表面弾性波素子、又はトランスジューサのいずれかからなる複合電子部品である。
本発明の第１の観点の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物では、鉛フリーであって、高い比誘電率を有する誘電体薄膜を、非特許文献１のような高価な装置を要することなく、また非特許文献２のような複雑な工程を経ることなく形成することができる。
本発明の第２の観点の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物では、鉛フリーであって、第１の観点の組成物よりもより高い比誘電率を有する誘電体薄膜を形成することができる。
本発明の第３の観点の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物では、鉛フリーであって、第１及び第２の観点の液組成物よりも、更により高い比誘電率を有する誘電体薄膜を形成することができる。
本発明の第４の観点の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物では、鉛フリーであって、２５℃の比誘電率と比べて高温雰囲気下で比誘電率がほぼ一定であって、温度依存性の小さい誘電体薄膜を形成することができる。
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
＜非鉛誘電体薄膜形成用液組成物の調製＞
本発明の非鉛誘電体薄膜形成用組成物は、ＢａＴｉＯ3と、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3と、ＢｉＦｅＯ3をそれぞれ形成可能な液組成物を含有してなり、それぞれ以下のように調製される。
本発明の非鉛誘電体薄膜形成用組成物は、ＢａＴｉＯ3と、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3と、ＢｉＦｅＯ3をそれぞれ形成可能な液組成物を含有してなり、それぞれ以下のように調製される。
（１）ＢａＴｉＯ3用液組成物
ＢａＴｉＯ3用液組成物は、Ｂａ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｔｉ原料としてアルコキシドをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノールや酢酸等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸バリウムとしては、２−エチル酪酸バリウム、２−エチルヘキサン酸バリウム、酢酸バリウム等が挙げられ、バリウムアルコキシドとしては、バリウムジイソプロポキシド、バリウムジブトキシド等が挙げられる。またチタンアルコキシドとしては、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、チタニウムジメトキシジイソプロポキシド等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
ＢａＴｉＯ3用液組成物は、Ｂａ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｔｉ原料としてアルコキシドをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノールや酢酸等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸バリウムとしては、２−エチル酪酸バリウム、２−エチルヘキサン酸バリウム、酢酸バリウム等が挙げられ、バリウムアルコキシドとしては、バリウムジイソプロポキシド、バリウムジブトキシド等が挙げられる。またチタンアルコキシドとしては、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、チタニウムジメトキシジイソプロポキシド等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
（２）Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物
Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物は、Ｂｉ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｍｇ原料としてアルコキシドを、Ｔｉ原料としてアルコキシドをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノール等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸ビスマスとしては、２−エチル酪酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ビスマス等が、ビスマスアルコキシドとしては、Ｂｉ(ＯＣ(ＣＨ3)3)3（以下、Ｂｉ(Ｏｔ-Ｂｕ)3と略記する。）、Ｂｉ(ＯＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)3（以下、Ｂｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3と略記する。）等が挙げられる。またマグネシウムアルコキシドとしては、マグネシウムエトキシド、マグネシウムメトキシド、マグネシウムプロポキシド等が挙げられる。更にチタンアルコキシドとしては、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、チタニウムジメトキシジイソプロポキシド等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物は、Ｂｉ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｍｇ原料としてアルコキシドを、Ｔｉ原料としてアルコキシドをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノール等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸ビスマスとしては、２−エチル酪酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ビスマス等が、ビスマスアルコキシドとしては、Ｂｉ(ＯＣ(ＣＨ3)3)3（以下、Ｂｉ(Ｏｔ-Ｂｕ)3と略記する。）、Ｂｉ(ＯＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)3（以下、Ｂｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3と略記する。）等が挙げられる。またマグネシウムアルコキシドとしては、マグネシウムエトキシド、マグネシウムメトキシド、マグネシウムプロポキシド等が挙げられる。更にチタンアルコキシドとしては、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、チタニウムジメトキシジイソプロポキシド等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
（３）ＢｉＦｅＯ3用液組成物
ＢｉＦｅＯ3用液組成物は、Ｂｉ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｆｅ原料として鉄(III)アセチルアセトナートをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノール等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸ビスマスとしては、２−エチル酪酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ビスマス等が、ビスマスアルコキシドとしては、Ｂｉ(Ｏｔ-Ｂｕ)3、Ｂｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3等が挙げられ、Ｆｅ原料としては、鉄(III)アセチルアセトナート、硝酸鉄等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
ＢｉＦｅＯ3用液組成物は、Ｂｉ原料としてカルボン酸塩やアルコキシドを、Ｆｅ原料として鉄(III)アセチルアセトナートをそれぞれ用い、これらの原料を２−メトキシエタノール等の溶剤に、所定のモル比で、かつ、金属酸化物換算の合計濃度が１〜２５質量％程度となるように混合溶解させることにより調製される。カルボン酸ビスマスとしては、２−エチル酪酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ビスマス等が、ビスマスアルコキシドとしては、Ｂｉ(Ｏｔ-Ｂｕ)3、Ｂｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3等が挙げられ、Ｆｅ原料としては、鉄(III)アセチルアセトナート、硝酸鉄等が挙げられる。上記金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。また安定化剤としてアセチルアセトン等を加えても良い。
（４）非鉛誘電体薄膜形成用液組成物の調製
上述したＢａＴｉＯ3用液組成物、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物及びＢｉＦｅＯ3用液組成物の二者又は三者を所定の割合で秤量し、均一に混合することにより、本発明の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が調製される。
上述したＢａＴｉＯ3用液組成物、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物及びＢｉＦｅＯ3用液組成物の二者又は三者を所定の割合で秤量し、均一に混合することにより、本発明の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が調製される。
＜非鉛誘電体薄膜の形成＞
得られた非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を用いて、誘電体薄膜を形成するには、上記組成物をスピンコート、ディップコート、ＬＳＭＣＤ（Liquid Source Misted Chemical Deposition）法等の塗布法により耐熱性基板上に塗布し、乾燥（仮焼成）及び本焼成を行う。
得られた非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を用いて、誘電体薄膜を形成するには、上記組成物をスピンコート、ディップコート、ＬＳＭＣＤ（Liquid Source Misted Chemical Deposition）法等の塗布法により耐熱性基板上に塗布し、乾燥（仮焼成）及び本焼成を行う。
使用される耐熱性基板の具体例としては、基板表層部に、Ｐｔ，Ｐｔ（最上層）／Ｔｉ，Ｐｔ（最上層）／Ｔａ，Ｒｕ，ＲｕＯ2，Ｒｕ（最上層）／ＲｕＯ2，ＲｕＯ2（最上層）／Ｒｕ，Ｉｒ，ＩｒＯ2，Ｉｒ（最上層）／ＩｒＯ2，Ｐｔ（最上層）／Ｉｒ，Ｐｔ（最上層）／ＩｒＯ2，ＳｒＲｕＯ3又は（ＬａXＳｒ(1-X)）ＣｏＯ3等のペロブスカイト型導電性酸化物等を用いた基板が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
なお、１回の塗布では、所望の膜厚が得られない場合には、塗布、乾燥の工程を複数回繰返し行った後、本焼成を行う。ここで、所望の膜厚とは、本焼成後に得られる誘電体薄膜の厚さをいい、高容量密度の薄膜キャパシタ用途の場合、本焼成後の誘電体薄膜の膜厚が５０〜５００ｎｍの範囲である。
また、仮焼成は、溶媒を除去するとともに有機化合物や有機金属化合物を熱分解又は加水分解して複合酸化物に転化させるために行うことから、空気中、酸化雰囲気中、又は含水蒸気雰囲気中で行う。空気中での加熱でも、加水分解に必要な水分は空気中の湿気により十分に確保される。この加熱は、溶媒の除去のための低温加熱と、有機金属化合物や有機化合物の分解のための高温加熱の２段階で実施しても良い。
本焼成は、仮焼成で得られた薄膜を結晶化温度以上の温度で焼成して結晶化させるための工程であり、これにより誘電体薄膜が得られる。この結晶化工程の焼成雰囲気はＯ2、Ｎ2、Ａｒ、Ｎ2Ｏ又はＨ2等或いはこれらの混合ガス等が好適である。
仮焼成は、１５０〜５５０℃で１〜３０分間程度行われ、本焼成は４５０〜８００℃で１〜６０分間程度行われる。本焼成は、急速加熱処理（ＲＴＡ処理）やマッフル炉で行っても良い。ＲＴＡ処理で本焼成する場合、その昇温速度は１０〜１００℃／秒が好ましい。
このようにして形成された誘電体薄膜は、ＢａＴｉＯ3用液組成物、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物及びＢｉＦｅＯ3用液組成物の二者又は三者を所定の割合にすることにより、高い比誘電率が得られる。
＜非鉛誘電体薄膜の評価方法＞
上記のようにして得られた非鉛誘電体薄膜について、以下のようにして比誘電率と誘電正接（tanδ）が評価される。具体的には、誘電体薄膜を用いたキャパシタの比誘電率及び誘電正接をインピーダンス・アナライザにより測定する（測定機器メーカー：アジレントテクノロジー、HP4194A）。結晶性はＸＲＤのθ−２θスキャン法により、ペロブスカイト相由来のピーク有無により評価した。
上記のようにして得られた非鉛誘電体薄膜について、以下のようにして比誘電率と誘電正接（tanδ）が評価される。具体的には、誘電体薄膜を用いたキャパシタの比誘電率及び誘電正接をインピーダンス・アナライザにより測定する（測定機器メーカー：アジレントテクノロジー、HP4194A）。結晶性はＸＲＤのθ−２θスキャン法により、ペロブスカイト相由来のピーク有無により評価した。
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１〜１１、比較例１＞
先ずチタニウムテトラブトキシド０．００２５モルに２−メトキシエタノール１０ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌した。この混合液に酢酸バリウムを０．００２５モル加え、室温で１２０分間攪拌した。続いてアセチルアセトン０．２ｍｌと酢酸５ｍｌを加え、室温で一昼夜攪拌し、ＢａＴｉＯ3用液組成物を調製した。次にチタニウムテトラブトキシド０．００１２５モルに２−メトキシエタノール５ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌した。この混合液にアセチルアセトンで安定化させたマグネシウムエトキシドを０．００１２５モル加え、室温で３０分間攪拌した。続いてＢｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3を０．００２５モルを加え、室温で６０分間攪拌し、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物を調製した。更に、鉄(III)アセチルアセトナート０．００２５モルに２−メトキシエタノール１０ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌し、８０℃に昇温して６０分間攪拌し、室温で６０分間攪拌した。続いてＢｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3を０．００２５モル加え、室温で３０分間攪拌し、ＢｉＦｅＯ3用液組成物を調製した。
先ずチタニウムテトラブトキシド０．００２５モルに２−メトキシエタノール１０ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌した。この混合液に酢酸バリウムを０．００２５モル加え、室温で１２０分間攪拌した。続いてアセチルアセトン０．２ｍｌと酢酸５ｍｌを加え、室温で一昼夜攪拌し、ＢａＴｉＯ3用液組成物を調製した。次にチタニウムテトラブトキシド０．００１２５モルに２−メトキシエタノール５ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌した。この混合液にアセチルアセトンで安定化させたマグネシウムエトキシドを０．００１２５モル加え、室温で３０分間攪拌した。続いてＢｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3を０．００２５モルを加え、室温で６０分間攪拌し、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物を調製した。更に、鉄(III)アセチルアセトナート０．００２５モルに２−メトキシエタノール１０ｍｌを添加し、室温で６０分間攪拌し、８０℃に昇温して６０分間攪拌し、室温で６０分間攪拌した。続いてＢｉ(Ｏｔ-Ａｍ)3を０．００２５モル加え、室温で３０分間攪拌し、ＢｉＦｅＯ3用液組成物を調製した。
このように調製されたＢａＴｉＯ3用液組成物、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3用液組成物及びＢｉＦｅＯ3用液組成物の二者又は三者を表１に示す酸化物換算の割合で秤量し、均一に混合することにより、実施例１〜１１及び比較例１の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を得た。
＜室温下での測定試験＞
基板として、（１１１）ＳｒＲｕＯ3／（１１１）Ｐｔ／ＴｉＯX／ＳｉＯ2／（１００）Ｓｉを用意し、（１１１）ＳｒＲｕＯ3上にスピンコート法により、三者の割合の異なる非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を塗布した。（１１１）ＳｒＲｕＯ3は高周波マグネトロンスパッタリング装置により成膜した。塗布後、大気雰囲気中、４００℃、１分間、仮焼成を行い、更に大気雰囲気中、７５０℃、５分間、本焼成を行った。本焼成後、厚さ３００ｎｍの１２種類の非鉛誘電体薄膜を作製した。これらの非鉛誘電体薄膜を室温の大気雰囲気下において、それぞれの比誘電率とそれぞれの誘電正接（tanδ）を上述したインピーダンス・アナライザにより測定周波数を1 kHzにて測定した。その結果を表１及び図１の三元相図に示す。なお、表１中、ｘはＢａＴｉＯ3のモル比を、ｙはＢｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3のモル比を、ｚはＢｉＦｅＯ3のモル比をそれぞれ示す。また図１の丸数字の１〜７は実施例１〜７を、図１の丸数字８は比較例１を、図１の丸数字９〜１２は実施例８〜１１をそれぞれ示す。また、ＸＲＤ測定（θ−２θスキャン法）より、全ての膜は結晶質で、かつペロブスカイト単相であることが確認された。
基板として、（１１１）ＳｒＲｕＯ3／（１１１）Ｐｔ／ＴｉＯX／ＳｉＯ2／（１００）Ｓｉを用意し、（１１１）ＳｒＲｕＯ3上にスピンコート法により、三者の割合の異なる非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を塗布した。（１１１）ＳｒＲｕＯ3は高周波マグネトロンスパッタリング装置により成膜した。塗布後、大気雰囲気中、４００℃、１分間、仮焼成を行い、更に大気雰囲気中、７５０℃、５分間、本焼成を行った。本焼成後、厚さ３００ｎｍの１２種類の非鉛誘電体薄膜を作製した。これらの非鉛誘電体薄膜を室温の大気雰囲気下において、それぞれの比誘電率とそれぞれの誘電正接（tanδ）を上述したインピーダンス・アナライザにより測定周波数を1 kHzにて測定した。その結果を表１及び図１の三元相図に示す。なお、表１中、ｘはＢａＴｉＯ3のモル比を、ｙはＢｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3のモル比を、ｚはＢｉＦｅＯ3のモル比をそれぞれ示す。また図１の丸数字の１〜７は実施例１〜７を、図１の丸数字８は比較例１を、図１の丸数字９〜１２は実施例８〜１１をそれぞれ示す。また、ＸＲＤ測定（θ−２θスキャン法）より、全ての膜は結晶質で、かつペロブスカイト単相であることが確認された。
＜評価１＞
表１に示される実施例１(1)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１１(12)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδ（誘電正接）を見ると、その比誘電率の平均が５２５であり高く、そのtanδの平均が１２．２５であり実用的なレベルであり、誘電特性が良好であった。図１において、実施例１(1)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１１(12)で囲まれた領域は第１の領域として示される。また表１に示される実施例３(3)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１０(11)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδを見ると、その比誘電率の平均が６３２．５であり更に高く、そのtanδの平均が１２．７５で実用的なレベルであった。図１において、実施例３(3)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１０(11)で囲まれた領域は第２の領域として示される。更に表１に示される実施例５(5)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１１(10)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδを見ると、その比誘電率の平均が７６２．５であり更に高く、そのtanδの平均が１２．７５であり実用的なレベルであった。図１において、実施例５(5)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１１(10)で囲まれた領域は第３の領域として示される。一方、比較例１(8)で得られた非鉛誘導体薄膜は比誘電率が１１００と優れるものの、実用不可能な程tanδが極めて大きかった。
表１に示される実施例１(1)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１１(12)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδ（誘電正接）を見ると、その比誘電率の平均が５２５であり高く、そのtanδの平均が１２．２５であり実用的なレベルであり、誘電特性が良好であった。図１において、実施例１(1)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１１(12)で囲まれた領域は第１の領域として示される。また表１に示される実施例３(3)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１０(11)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδを見ると、その比誘電率の平均が６３２．５であり更に高く、そのtanδの平均が１２．７５で実用的なレベルであった。図１において、実施例３(3)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１０(11)で囲まれた領域は第２の領域として示される。更に表１に示される実施例５(5)と実施例７(7)と実施例８(9)と実施例１１(10)で得られた非鉛誘導体薄膜の各比誘電率と各tanδを見ると、その比誘電率の平均が７６２．５であり更に高く、そのtanδの平均が１２．７５であり実用的なレベルであった。図１において、実施例５(5)と実施例８(9)と実施例７(7)と実施例１１(10)で囲まれた領域は第３の領域として示される。一方、比較例１(8)で得られた非鉛誘導体薄膜は比誘電率が１１００と優れるものの、実用不可能な程tanδが極めて大きかった。
＜実施例１〜１２＞
測定試験１で作製した実施例１〜１１の非鉛誘電体薄膜に加えて、ＢａＴｉＯ3のモル比(ｘ)が０．６０、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3のモル比(ｙ)が０．４０、ＢｉＦｅＯ3のモル比(ｚ)が０．００である実施例１２の非鉛誘導体薄膜を作製した。モル比を変更した以外、実施例１２の非鉛誘導体薄膜は、実施例１〜１１と同様に作製した。
測定試験１で作製した実施例１〜１１の非鉛誘電体薄膜に加えて、ＢａＴｉＯ3のモル比(ｘ)が０．６０、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3のモル比(ｙ)が０．４０、ＢｉＦｅＯ3のモル比(ｚ)が０．００である実施例１２の非鉛誘導体薄膜を作製した。モル比を変更した以外、実施例１２の非鉛誘導体薄膜は、実施例１〜１１と同様に作製した。
＜高温下での測定試験＞
こうして作製した１２種類の非鉛誘導体薄膜のうち、実施例１〜４の４種類の非鉛誘導体薄膜について、大気雰囲気下、２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃及び４００℃の各温度における比誘電率を上述したインピーダンス・アナライザにより測定周波数を100 kHzにてそれぞれ測定した。実施例１〜４以外の実施例５〜１２の８種類の非鉛誘導体薄膜について、大気雰囲気下、２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃及び２５０℃の各温度における比誘電率を上述したインピーダンス・アナライザによりそれぞれ測定した。比較例１の非鉛誘導体薄膜については、この測定試験を行わなかった。三元図上における実施例１〜実施例４、実施例７、実施例８、実施例１１及び実施例１２を図２に示す。また１２種類の非鉛誘導体薄膜の各温度における比誘電率を表２に示す。更に実施例１(1)〜実施例７(7)の誘導体薄膜の２５℃以上の各温度における比誘電率を図３に示し、実施例６(6)及び実施例８(9)〜実施例１２(13)の誘導体薄膜の２５℃以上の各温度における比誘電率を図４に示す。図２及び図４の丸数字の１３は実施例１２を示す。
こうして作製した１２種類の非鉛誘導体薄膜のうち、実施例１〜４の４種類の非鉛誘導体薄膜について、大気雰囲気下、２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃及び４００℃の各温度における比誘電率を上述したインピーダンス・アナライザにより測定周波数を100 kHzにてそれぞれ測定した。実施例１〜４以外の実施例５〜１２の８種類の非鉛誘導体薄膜について、大気雰囲気下、２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃及び２５０℃の各温度における比誘電率を上述したインピーダンス・アナライザによりそれぞれ測定した。比較例１の非鉛誘導体薄膜については、この測定試験を行わなかった。三元図上における実施例１〜実施例４、実施例７、実施例８、実施例１１及び実施例１２を図２に示す。また１２種類の非鉛誘導体薄膜の各温度における比誘電率を表２に示す。更に実施例１(1)〜実施例７(7)の誘導体薄膜の２５℃以上の各温度における比誘電率を図３に示し、実施例６(6)及び実施例８(9)〜実施例１２(13)の誘導体薄膜の２５℃以上の各温度における比誘電率を図４に示す。図２及び図４の丸数字の１３は実施例１２を示す。
＜評価２＞
表２及び図３、図４に示される実施例１(1)と実施例２(2)と実施例３(3)と実施例４(4)で得られた非鉛誘導体薄膜の２５℃から４００℃までの温度範囲における各比誘電率と実施例１２(13)で得られた非鉛誘導体薄膜の２５℃から２５０℃までの温度範囲における各比誘電率を見ると、実施例１〜４の４００℃における比誘電率又は実施例１２の２５０℃における比誘電率は、それぞれ２５℃における比誘電率とほぼ一定であり、温度依存性が小さく、高温雰囲気下で使用される誘導体薄膜に適することが判った。図２において、実施例１(1)と実施例２(2)と実施例３(3)と実施例４(4)と実施例１２(13)で囲まれた領域は第４の領域として示される。図２において、第１の領域は、第４の領域が第１の領域内にあることを明らかにするために示している。
表２及び図３、図４に示される実施例１(1)と実施例２(2)と実施例３(3)と実施例４(4)で得られた非鉛誘導体薄膜の２５℃から４００℃までの温度範囲における各比誘電率と実施例１２(13)で得られた非鉛誘導体薄膜の２５℃から２５０℃までの温度範囲における各比誘電率を見ると、実施例１〜４の４００℃における比誘電率又は実施例１２の２５０℃における比誘電率は、それぞれ２５℃における比誘電率とほぼ一定であり、温度依存性が小さく、高温雰囲気下で使用される誘導体薄膜に適することが判った。図２において、実施例１(1)と実施例２(2)と実施例３(3)と実施例４(4)と実施例１２(13)で囲まれた領域は第４の領域として示される。図２において、第１の領域は、第４の領域が第１の領域内にあることを明らかにするために示している。
Claims (12)
- ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための非鉛誘電体薄膜形成用液組成物。
- 前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．７０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．５０・ｚ＝０．２０とで囲まれた第２領域内の組成である請求項１記載の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物。
- 前記第２領域内の組成であって、ｘ＝０．４０・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．５０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．３０・ｚ＝０．４０とで囲まれた第３領域内の組成である請求項２記載の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物。
- 前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．８０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．３１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．４０とで囲まれた第４領域内の組成である請求項１記載の非鉛誘電体薄膜形成用液組成物。
- ＢａＴｉＯ3の成分、Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3の成分及びＢｉＦｅＯ3成分のうち少なくとも２成分を含有し、ｘ[ＢａＴｉＯ3]・ｙ[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・ｚ[ＢｉＦｅＯ3]、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１とするとき、[ＢａＴｉＯ3]・[Ｂｉ(Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5)Ｏ3]・[ＢｉＦｅＯ3]の三元相図上で、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．７０とで囲まれた第１領域内の組成である、非鉛誘電体薄膜を化学溶液堆積法により形成するための非鉛誘電体薄膜形成用液組成物を基板に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、
前記基板に形成された塗膜を、空気中、酸化雰囲気中又は含水蒸気雰囲気中で加熱して乾燥する乾燥工程と、
前記乾燥工程の途中から或いは完了後に前記塗膜を、Ｏ2，Ｎ2，Ａｒ，Ｎ2Ｏ，Ｈ2若しくはこれらの混合ガス中又は乾燥空気中或いは水蒸気を含む前記雰囲気中で結晶化温度以上で焼成する焼成工程と
を含む非鉛誘電体薄膜の形成方法。 - 前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．７０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．５０・ｚ＝０．２０とで囲まれた第２領域内の組成である請求項５記載の非鉛誘電体薄膜の形成方法。
- 前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第２領域内の組成であって、ｘ＝０．４０・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．５０と、ｘ＝０．３０・ｚ＝０．７０と、ｘ＝０．１５・ｙ＝０．１０・ｚ＝０．７５と、ｘ＝０．３０・ｙ＝０．３０・ｚ＝０．４０とで囲まれた第３領域内の組成である請求項６記載の非鉛誘電体薄膜の形成方法。
- 前記非鉛誘電体薄膜形成用液組成物が前記第１領域内の組成であって、ｘ＝０．９０・ｙ＝０．１０と、ｘ＝０．８０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．２１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．０９・ｚ＝０．３１と、ｘ＝０．６０・ｙ＝０．４０とで囲まれた第４領域内の組成である請求項５記載の非鉛誘電体薄膜の形成方法。
- 前記塗布工程及び前記乾燥工程が複数回繰り返され、
前記焼成工程が前記複数回繰り返された最終乾燥工程の途中から或いは完了後に前記塗膜を、Ｏ2，Ｎ2，Ａｒ，Ｎ2Ｏ，Ｈ2若しくはこれらの混合ガス中又は乾燥空気中或いは水蒸気を含む前記雰囲気中で結晶化温度以上で焼成する工程である請求項５ないし８いずれか１項に記載の非鉛誘電体薄膜の形成方法。 - 請求項５ないし９いずれか１項に記載の方法により形成された結晶質の非鉛誘電体薄膜。
- 請求項１０に記載の非鉛誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、ＬＣノイズフィルタ素子、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、又は焦電型赤外線検出素子のいずれかからなる複合電子部品。
- 請求項１０に記載の非鉛誘電体薄膜を有する圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、表面弾性波素子、又はトランスジューサのいずれかからなる複合電子部品。
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