JP2642876B2 - チタン酸鉛系誘電体薄膜 - Google Patents

チタン酸鉛系誘電体薄膜

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、新規なチタン酸鉛系誘
電体薄膜、さらに詳しくは、膜厚が１μｍ以下の薄膜に
おいても誘電率の低下が少なく、優れた誘電特性を有す
るチタン酸鉛系誘電体薄膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）はペロブス
カイト型結晶構造を示す代表的な強誘電体であって、そ
の薄膜は赤外線センサ用材料、マイクロアクチュエータ
用材料、メモリ用材料などへの応用が期待されている。
しかしながら、このチタン酸鉛薄膜は、その製法の如何
に係わらず、膜厚が１μｍ以下になると、誘電特性、特
に誘電率が急激に低下するため、応用上の大きな障害に
なっていることが知られている。図１に、ゾル・ゲル法
で作製したチタン酸鉛薄膜における誘電率の膜厚依存性
を示す［Ｐｒｏｃ．ＦＭＡ−５、７（１９８５）］。
【０００３】このような誘電率の低下を改善するため
に、これまで、様々な薄膜の製造方法や添加物の研究が
なされている。中でもチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の結
晶格子のＰｂ位置にＬａを置換した（Ｐｂ，Ｌａ）Ｔｉ
Ｏ３薄膜（ＰＬＴ薄膜）は、誘電特性が改善されること
が知られているが、まだ十分に満足するまでには至って
いない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、膜厚が１μｍ以下の薄膜においても誘電
率の低下が少なく、優れた誘電特性を有するチタン酸鉛
系誘電体薄膜を提供することを目的としてなされたもの
である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、膜厚が１
μｍ以下の薄膜においても誘電率の低下が少ないチタン
酸鉛系誘電体薄膜を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、
ペロブスカイト型結晶構造を示すチタン酸鉛の結晶格子
におけるチタン位置に、ニオブ又はアルミニウムを、チ
タン原子に対して所定の割合で置換固溶させたものから
成る薄膜により、その目的を達成しうることを見出し、
この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００６】すなわち、本発明は、膜厚１μｍ以下のチ
タン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）を基本組成とした薄膜におい
て、ペロブスカイト型結晶構造を示すチタン酸鉛の結晶
格子におけるチタン位置に、ニオブ又はアルミニウムを
チタン原子に対して１〜５０モル％の割合で置換固溶さ
せたことを特徴とするチタン酸鉛系誘電体薄膜を提供す
るものである。
【０００７】本発明のチタン酸鉛系誘電体薄膜は、図２
に示すように、ペロブスカイト型結晶構造を示すチタン
酸鉛の結晶格子におけるチタン位置に、ニオブ又はアル
ミニウムを置換固溶させたものから成る薄膜である。
【０００８】これらの置換金属元素は１種のみ用いても
よいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、
その置換量は、チタンに対して１〜５０モル％の範囲に
あることが必要である。この量が１モル％未満では置換
した効果が十分に発揮されないし、５０モル％を超える
とペロブスカイト単相の結晶構造を示さず結晶中に第二
相が析出し、誘電特性が低下する。
【０００９】本発明のチタン酸鉛系誘電体薄膜の膜厚は
１μｍ以下、好ましくは０．０５〜１μｍの範囲であ
る。膜厚が１μｍ以下の薄膜において、本発明の効果が
特に有効に発揮される。
【００１０】本発明のチタン酸鉛系誘電体薄膜の作製方
法については、前記の置換金属元素を上記組成で制御で
きる方法であればよく、特に制限されず、例えばゾル・
ゲル法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、レーザーアブレ
ーション法などの中から任意の方法を選択して用いるこ
とができる。
【００１１】本発明の膜厚１μｍ以下のチタン酸鉛系誘
電体薄膜の誘電特性、特に誘電率は、チタンに対する置
換金属元素による置換条件を適当に選択することによ
り、置換されていないチタン酸鉛薄膜に対して約４倍以
上向上する。
【００１２】
【発明の効果】通常のチタン酸鉛薄膜は、膜厚が１μｍ
以下になると、誘電特性、特に誘電率が急激に低下する
が、本発明のチタン酸鉛系誘電体薄膜は、膜厚が１μｍ
以下の薄膜においても誘電率の低下が少なく、優れた誘
電特性を有する。したがって、本発明のチタン酸鉛系誘
電体薄膜は、例えば赤外線センサ用材料、マイクロアク
チュエータ用材料、メモリ用材料などへの応用が期待で
きる。
【００１３】
【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。
【００１４】実施例１ ゾル・ゲル法を用いてチタン酸鉛のＴｉに対して、Ｎｂ
を１〜６０モル％の範囲で置換した組成のコーティング
溶液を調製した。このＰｂ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３溶液を用
いて、白金基板上にスピンコート法で薄膜を形成したの
ち、６００℃で焼成を行い、膜厚約０．１５μｍのＰｂ
（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３系薄膜を作製した。また、比較のた
めに同様の方法を用いて膜厚約０．１５μｍのチタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜も作製した。
【００１５】得られた薄膜の結晶構造をＸ線回折によっ
て調べたところ、Ｎｂ置換量が５０モル％まではペロブ
スカイト単相の結晶構造を示し、Ｎｂはチタン酸鉛に固
溶していることが分かった。しかし、Ｎｂ置換量が６０
モル％の場合はペロブスカイト単相の結晶構造を示さ
ず、組成不明の化合物が第二相として生成していること
が分かった。
【００１６】次に、これらの試料の誘電率を、デジタル
ＬＣＲメータを用いて１０ｋＨｚで測定した結果を図３
に示す。図３に示すように、Ｎｂで置換されていないチ
タン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜の場合、誘電率は約８０
であり、従来報告されている値とほぼ等しかった。しか
し、Ｎｂで置換されたＰｂ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３系薄膜で
は、Ｎｂ置換量とともに誘電率が上昇し、Ｎｂ置換量が
５０モル％の薄膜では誘電率は約９００であった。さら
に、Ｎｂ置換量が６０モル％になると、薄膜中に第二相
が生成されるために、誘電率は約２２０に低下した。
【００１７】実施例２ チタン酸鉛のＴｉに対して、Ａｌを１〜６０モル％の範
囲で置換した組成の粉末を作製し、これをターゲット材
として、スパッタリング法により白金基板上にＰｂ（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｏ３系薄膜を作製した。この際の基板の加熱
温度は７００℃であり、得られた薄膜の膜厚は０．５μ
ｍであった。
【００１８】得られた薄膜の結晶構造をＸ線回折によっ
て調べたところ、Ａｌ置換量が５０モル％まではペロブ
スカイト単相の結晶構造を示すが、Ａｌ配合量が６０モ
ル％の場合、ペロブスカイト単相の結晶構造を示さず組
成不明の化合物が第二相として生成した。
【００１９】次に、これらの試料の誘電率をデジタルＬ
ＣＲメータを用いて１０ｋＨｚで測定した結果を図４に
示す。図４に示すように、Ａｌ置換量の増加とともに誘
電率が上昇し、Ａｌ置換量が４０〜５０モル％の場合の
誘電率は約４００であり、ＰｂＴｉＯ３薄膜の誘電率の
約４倍となった。さらにＡｌの置換量が６０モル％にな
ると薄膜中に第二相が生成するために、誘電率は急激に
低下した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ゾル・ゲル法で作製したチタン酸鉛薄膜の１
例における膜厚と誘電率及び誘電損失との関係を示すグ
ラフ。
【図２】 チタン酸鉛のペロブスカイト型結晶構造を示
す模式図。
【図３】 ゾル・ゲル法で作製したＰｂ（Ｔｉ，Ｎｂ）
Ｏ３系薄膜の１例におけるＮｂ置換量と誘電率との関係
を示すグラフ。
【図４】 スパッタリング法で作製したＰｂ（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｏ３系薄膜の１例におけるＡｌ置換量と誘電率との
関係を示すグラフ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 膜厚１μｍ以下のチタン酸鉛（ＰｂＴｉ
    Ｏ３）を基本組成とした薄膜において、ペロブスカイト
    型結晶構造を示すチタン酸鉛の結晶格子におけるチタン
    位置に、ニオブ又はアルミニウムをチタン原子に対して
    １〜５０モル％の割合で置換固溶させたことを特徴とす
    るチタン酸鉛系誘電体薄膜。
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