JP4423835B2 - Method for manufacturing dielectric oxide film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属イオンを含む溶液中に浸漬させた基板に電圧を印加して形成する、誘電体酸化物膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、基板上に誘電体酸化物の膜を形成する方法としては、スパッタ法やCVD法に代表される乾式成膜法、およびゾル−ゲル法や電気泳動成膜法に代表される湿式成膜法があげられる。湿式成膜法は、簡単な設備で大面積に膜を作製することができ、かつ複数の金属イオンからなる酸化物を成膜するに際して組成の変動が極めて小さいという特長を有している。
【0003】
そして、ゾル−ゲル法では、溶液中において金属イオン同士や酸素との化学反応を利用するため、比較的低温で酸化物の形成が可能であり、作製が難しい複合酸化物の膜を形成することができるなどの利点がある。さらに、桑原らが提案する金属イオン濃度を飽和状態程度までに高めた高濃度ゾル−ゲル法(H.Simooka and M.Kuwabara, J. Am. Ceram. Soc., 78, 2849 (1995))においては、ゾル−ゲル法の短所である収縮ひずみを低減し、かつ加水分解反応を制御することにより100℃程度での結晶化を可能としている。
【0004】
一方、電気泳動成膜法は、酸化物などの粒子を液中に分散させ、帯電した粒子を、電圧をかけた基板上に堆積し成膜する方法である。この粒子径を1μm以下まで小さくすることにより、薄くて緻密で平滑な膜を作製することができる。しかしながら、粒子サイズより平滑かつ緻密にすることは困難であり、それを実現するためには成膜後に1000℃以上の熱処理が必要となる。
【0005】
そこで、外部から粒子を加えるのではなく、溶液中から微細な粒子を析出させそれを用いる方法が考えられる。特開平5−163005号公報「酸化物超伝導限流導体の製造方法」、および特開平8−53776号公報「金属酸化物被覆方法および金属酸化物被覆物」に示される酸化物膜の湿式成膜法においては、酸化物を構成する陽イオンを主成分とする前駆体溶液を加水分解して、これら陽イオンを含むゾル粒子を液中から生成し、これらを分散させた溶液を用いて電気泳動法で成膜を行なっている。このように、1μm以下の微細な粒子を得て、電気泳動法で緻密な膜を作製している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体酸化物膜は、その誘電的性質あるいは絶縁体としての性質が利用され、さらに圧電性や強誘電性をも有する材料については、それらの性質も利用されている。その際、従来は誘電体酸化物膜が不透明であっても特に問題はなかった。
【0007】
しかしながら、近年、光通信の普及に伴い、光信号を処理する新たな光学素子の要求が高まり、その中で、電気光学特性をもつ誘電体酸化物膜を用いた光導波路などの光学素子が提案されている。これらの素子は、基板上に平面状あるいは帯状など目的の形状の誘電体酸化物膜を作製することにより構成され、誘電体酸化物膜は光を通すために数μmの厚さで透明であることが望ましい。
【0008】
従来の乾式成膜法やゾル−ゲル法は、透明な酸化物膜を作製することに適しているが、結晶性の膜を得るためには少なくとも500℃以上の熱処理が必要である。また、前者では組成変動の問題や、大面積に均一に成膜することが難しく、後者では任意形状にすること、および収縮ひずみが発生するため膜厚を厚くすることが困難である。さらに、上記した高濃度ゾル−ゲル法を用いれば、厚く透明な酸化物膜の作製は可能であるが、基板上に目的の形状を作製することは困難である。
【0009】
一方、電気泳動成膜法の場合は、厚く成膜することは容易であり、電極形状を変えれば任意の形状に酸化物膜を作製できる。さらに、結晶化した粒子を用いれば成膜後の熱処理を不要にできる。
【0010】
しかしながら、特開平5−163005号公報や特開平8−53776号公報に示された、前駆体化合物を加水分解して得たゾル粒子を分散させた溶液を用いて電気泳動法で成膜する方法は、1μm以下とはいえ目視可能な粒子を用いて成膜する方法であるため、光学的に透明な膜を得ること、および1μm以下の微細な膜構造を作製することは困難である。
【0011】
加水分解をうけた前駆体化合物は引き続き縮重合することにより分子量を増大してゾル粒子を形成し、溶液粘度が上昇し広義のゾル状態になる。上記した先行技術にある電気泳動電着法ではこのゾル状態の溶液を用いている。このように1μm以下の粒子とはいえ目視できるような粒子を用いた場合、成膜後に、液相焼結反応が生じる高温で熱処理しなければ透明化は困難である。
【0012】
そこで、本発明の目的は、従来の高濃度ゾル−ゲル法を改良して、成膜後に高温で熱処理することなく、平面状や帯状など任意の形状の透明な誘電体酸化物膜の製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の誘電体酸化物膜の製造方法は、
誘電体酸化物を構成する金属のイオンを含有する前駆体溶液であって、該前駆体の濃度がほぼ飽和から過飽和に至る濃度の前駆体溶液を準備する工程と、
該前駆体溶液を、加水分解とそれに続く縮重合反応によりゲル化する温度以下の温度で加水分解して、透明なゾル溶液とする工程と、
該ゾル溶液に浸漬された対となる電極に電圧を印加することにより、陰極側の電極にゾル溶液の溶質組成に等しいゲル膜を形成する工程と、
該ゲル膜を熱処理して酸化物膜とする工程と、
を備えることを特徴とする。
【0014】
そして、前記金属イオンを含有する前駆体溶液は、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、無機塩、およびこれら化合物の官能基の一部を他の官能基で置換したもののうちの少なくとも1種を、有機溶媒に溶解した透明溶液であることを特徴とする。
【0015】
また、前記ゲル膜を形成する工程は、対となる電極に直流電圧を印加して陰極側の電極にゲル膜を形成する工程、または、対となる電極に直流に交流を重ねた電圧を印加して低電圧側の電極にゲル膜を形成する工程、であることを特徴とする。
【0016】
また、前記陰極側の電極は、導電性材料からなる板、棒、または線であり、該導電性材料は絶縁材料の表面に導電性物質を全面または部分的に形成したものを含むことを特徴とする。
【0017】
さらに、前記前駆体溶液はBaおよびTiのアルコキシドを有機溶媒に溶かした溶液であって、前記誘電体酸化物膜はBaTiO3であることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の誘電体酸化物膜の製造方法は、
(1)誘電体酸化物を構成する金属のイオンを含有する前駆体溶液であって、この前駆体の濃度がほぼ飽和から過飽和に至る濃度の前駆体溶液を準備する工程と、
(2)前駆体溶液を、加水分解とそれに続く縮重合反応によりゲル化する温度以下の温度で加水分解して、透明なゾル溶液とする工程と、
(3)ゾル溶液に浸漬された対となる電極に電圧を印加することにより、陰極側の電極にゾル溶液の溶質組成に等しいゲル膜を形成する工程と、
(4)ゲル膜を熱処理して酸化物膜とする工程と、
を備えている。
【0019】
本発明の誘電体酸化物膜の製造方法は、前駆体溶液を加水分解したゾル溶液を用いて電気泳動法で成膜する方法である。そして、前駆体溶液を加水分解してゾル溶液化する際に、縮重合反応を抑えて分子量が小さいクラスタ粒子を含むゾルにとどめることにより、光学的に透明なゾル溶液を作製しこれを用いる。
【0020】
縮重合反応を抑える方法としては、加水分解とそれに続く縮重合反応によりゲル化する温度以下の温度で加水分解する方法を採用する。この温度は、使用する原料と溶媒、および加える水の量によって変わってくる。たとえば、BaエトキシドとTiイソプロポキシドを、メタノールとエチレングリコールモノメチルエーテルを3:2で混合した溶媒に1モル/Lの濃度で溶解し、それにBaイオンの8倍量の水を加えて加水分解する場合は、約0℃である。水の量を10倍量とした場合には約−10℃となる。
【0021】
加水分解により生じたクラスタ粒子を含むゾルは正に帯電するため、対となる電極に直流電界を印加すると陰極側に移動し、陰極側の電極に用いた基板に付着する。さらに電圧を加え続けると基板上でクラスタ粒子を含むゾルが凝集し始め、ゾル状態からゲル状態に変化し、基板上にゾル溶液の溶質組成に等しいゲル膜を形成する。このゲル膜を熱処理することにより透明な誘電体酸化物膜を得ることができる。
【0022】
ゾル溶液中に0.1μm径程度の粒子が生成しておれば、乾燥程度では粒界を残したまま存在する。しかし、本発明により得られる膜ではそのような粒界は観察されない。また、それより細かい粒子であっても高温で熱処理を行なえば粒成長により粒界が確認される。本発明で作製した膜を700℃で熱処理し強く結晶化させた膜の場合、認められる粒径は数十nm程度と小さく、気相成長法で作製される膜と同程度になっている。すなわち、本発明において、電気泳動により移動する粒子のサイズはきわめて細かく、クラスタ粒子程度と判断され、ゾル溶液としてはきわめて液相に近い状態と考えられる。
【0023】
また、本発明においては、濃度がほぼ飽和から過飽和に至る高濃度の前駆体溶液を用いる。このため、収縮ひずみを低減し、亀裂のないゲルおよび酸化物を得ることができる。
【0024】
この高濃度前駆体溶液において、上記のクラスタ粒子を含むゾル溶液に電界を印加する成膜法を適用することにより、500℃以下の低温の熱処理で、基板上に十分な厚さをもつ平面状あるいは帯状など任意の形状の透明な誘電体酸化物膜を形成でき、光導波路などを作製することができる。
【0025】
なお、誘電体酸化物としては、例えば一般式ABO3(ただし、AはBa,Sr,Ca,Pbなど、BはTi,Zr,Snなど)で表されるペロブスカイト型化合物、具体的には(Ba,Sr)TiO3、PbZrO3、(Pb,Ca)TiO3などが挙げられる。
【0026】
前駆体溶液の溶質としては、前記誘電体酸化物を構成する金属を含有する、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、酢酸塩などの無機酸塩が用いられる。また、これらの化合物の官能基の一部が他の官能基で置換された、例えばアルキル基の一部がカルボキシル基に置換されたものなどを用いることもできる。
【0027】
有機溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類など、種々の溶媒が挙げられるが、溶解させる前駆体との兼ね合いで適宜使用される。
【0028】
ゲル膜の形成時に印加する電圧としては、直流電圧が用いられる。また、直流に交流を重ねて、この交流の波形や周期および振幅を変化させてゲル膜の付着を制御することも可能である。
【0029】
ゲル膜を形成する陰極側の電極としては、導電性材料からなる板、棒、線、または絶縁材料の表面に導電性物質を全面または部分的に形成したものが用いられる。このとき、形成する電極を任意形状にすることにより選択的にゲル膜を形成することができる。導電性基板または絶縁体基板上全面に形成した導電性膜上に、フォトレジストなどを用いてマスクを施すことにより、電極を任意形状としてゲル膜を形成することも可能である。
【0030】
【実施例】
(実施例1)
本発明の実施例として、誘電体酸化物膜としてのBaTiO3膜の製造方法、すなわち、Siウェハ上に形成したPt膜上にBaTiO3膜を作製する方法を、図1を参照して示す。なお、図1は、本発明の方法により誘電体酸化物膜を製造する装置の概略を示す断面図である。
【0031】
まず、誘電体酸化物膜としてのBaTiO3膜を構成する金属イオン組成と同じモル比となるように、BaエトキシドとTiイソプロポキシドを溶媒に溶かした前駆体溶液を準備した。溶媒には水分を含まないメタノールとエチレングリコールモノメチルエーテルを3:2で混合した液を用いた。また、溶質濃度を飽和濃度に近い1.1モル/Lとした。
【0032】
次に、この前駆体溶液を、乾燥窒素ガスを入れたガラス容器1に移し、さらにガラス容器を、加水分解とその後の縮重合反応によりゲル化する温度以下の温度である−30℃の浴槽に浸した。冷却した状態で、前駆体溶液にBaイオンのモル量に対して8倍のモル量の水を加えて加水分解処理した。その後、1時間かけて−10℃とし、0℃の恒温槽に移してエージングを行い、クラスタ状ゾルを含むゾル溶液2を作製した。
【0033】
次に、ゾル溶液2の入ったガラス容器1に基板3と陽極電極4を挿入した。基板3は表面酸化処理を施したSiウェハの上にスパッタリング法によりPt膜を形成したものである。陽極電極4はステンレスの棒である。これらの挿入は乾燥窒素雰囲気下で行ない、ゾル溶液2が大気に触れないようにした。
【0034】
次に、ガラス容器1を冷媒6で−20℃とされた浴槽5に移したのち、基板3を陰極となるように、基板3と陽極電極4を直流電源(図示せず)につないで電圧を印加した。電圧を上げていくと基板3上に透明なゲル膜7が析出した。印加時間を10分間一定として電圧を変化させたときの陰極側の電極へのゲル膜の単位面積あたりの付着量を図2に示す。電圧が低い場合はあまり付着しないが10V以上で付着量が増加する。
【0035】
次に、ゲル膜7の付いた基板3を取り出し、大気中、50℃で2日間、さらに150℃で1日のエージングを行なうことにより、BaTiO3に結晶化した透明な誘電体酸化物膜が得られた。図3に、得られた誘電体酸化物膜がBaTiO3に結晶化していることを表すX線回折(XRD)チャートを示す。
【0036】
(実施例2)
実施例1に示すPt膜が形成された基板3の表面全面にフォトレジストを5μmの厚さに塗布した後、幅2μmの帯状の図形を露光し現像した。これにより、底にPt膜が露出した幅2μmの帯状の溝が基板3の表面に形成された。
【0037】
次に、基板3の端部のレジスト膜の一部を除去してPt膜に通電できるようにした後、実施例1と同様のゾル溶液に浸漬して、陽極電極との間に直流電圧を印加した。これにより、基板3上に設けられたレジストの溝の中に、ゲル膜が選択的に付着した。その後、実施例1と同様にしてエージングを行なったのち、基板上のレジストを剥離液で剥離すると、幅約1.2μm高さ4μmのゲルの帯状構造が得られた。さらに実施例1と同様にして、熱処理することにより帯状の透明誘電体膜が得られた。この帯状の透明誘電体膜の製造方法は、光導波路の製造方法として有用な方法である。
【0038】
(実施例3)
実施例1に示すPt膜が形成された基板3の表面に電子線用レジストを2μmの厚さに塗布した後、直径1μmの円を4μmのピッチで三角格子配列した図形を電子線で描画し、現像した。これにより、底にPt膜が露出した直径1μmの孔の配列が基板3の表面に形成された。
【0039】
次に、基板3の端部のレジスト膜の一部を除去してPt膜に通電できるようにした後、実施例1と同様のゾル溶液に浸漬して、陽極電極との間に直流電界を印加した。これにより、基板3上に設けられたレジストの孔の中に、ゲル膜が選択的に付着した。その後、実施例1と同様にしてエージングを行なったのち、基板上のレジストを剥離液で剥離すると、直径約0.6μmのゲルの円柱が4μmのピッチで三角格子配列した円柱群が得られた。さらに実施例1と同様にして、熱処理することにより円柱群からなる透明誘電体膜が得られた。この円柱群からなる透明誘電体膜の製造方法は、2次元フォトニック結晶の製造方法として有用な方法である。
【0040】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の誘電体酸化物膜の製造方法によれば、高濃度ゾル−ゲル法をベースに、クラスタ粒子を含むゾル溶液を用いた電気泳動法による成膜法を採用することにより、透明なゲル膜を任意形状に形成することができ、かつ低温で結晶化するため、周囲への熱的影響を抑えて透明な誘電体酸化物膜を得ることができる。
【0041】
そして、ゾル溶液を得るための前駆体溶液として、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、無機塩、およびこれら化合物の官能基の一部を他の官能基で置換したもののうちの少なくとも1種を、有機溶媒に溶解した透明溶液を用いることにより、本発明の効果をより確実に得ることができる。
【0042】
また、前記ゲル膜を形成する工程として、対となる電極に直流電圧を印加する工程ではなく、対となる電極に直流に交流を重ねた電圧を印加する工程とすることにより、ゲル膜付着の制御がより容易となり、本発明の効果をより確実に得ることができる。
【0043】
また、陰極側の電極として、導電性材料からなる板、棒、線、または絶縁材料の表面に導電性物質を全面または部分的に形成したものを用いることにより、光導波路用、2次元フォトニック結晶用などの用途に応じた、任意の形状の誘電体酸化物膜を得ることができる。
【0044】
さらに、前駆体溶液として、BaおよびTiのアルコキシドを有機溶媒に溶かした溶液を用いることにより、光導波路、2次元フォトニック結晶などの用途に適したBaTiO3の誘電体酸化物膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により誘電体酸化物膜を製造する装置の概略を示す断面図である。
【図2】実施例1に示す本発明の製造方法によって得られるゲル膜の付着量と印加電圧の関係を示すグラフである。
【図3】実施例1に示す本発明の製造方法で得られるBaTiO3膜の結晶性を示すX線回折(XRD)チャートである。
【符号の説明】
1 ガラス容器
2 ゾル溶液
3 基板
4 陽極電極
5 浴槽
6 冷媒
7 ゲル膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a dielectric oxide film, which is formed by applying a voltage to a substrate immersed in a solution containing metal ions.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for forming a dielectric oxide film on a substrate, a dry film forming method represented by a sputtering method or a CVD method, and a wet film forming method represented by a sol-gel method or an electrophoretic film forming method are used. An example is a membrane method. The wet film-forming method has a feature that a film can be formed in a large area with simple equipment, and the composition variation is extremely small when an oxide composed of a plurality of metal ions is formed.
[0003]
In the sol-gel method, since a chemical reaction between metal ions and oxygen is used in a solution, an oxide can be formed at a relatively low temperature, and a complex oxide film that is difficult to produce is formed. There are advantages such as being able to. Furthermore, in the high-concentration sol-gel method (H.Simooka and M.Kuwabara, J. Am. Ceram. Soc., 78, 2849 (1995)) in which the metal ion concentration proposed by Kuwahara et al. Reduces the shrinkage strain, which is a disadvantage of the sol-gel method, and enables crystallization at about 100 ° C. by controlling the hydrolysis reaction.
[0004]
On the other hand, the electrophoretic film forming method is a method in which particles such as oxides are dispersed in a liquid, and charged particles are deposited on a substrate to which a voltage is applied to form a film. By reducing the particle diameter to 1 μm or less, a thin, dense and smooth film can be produced. However, it is difficult to make the particle size smoother and denser than the particle size, and heat treatment at 1000 ° C. or higher is necessary after film formation in order to achieve this.
[0005]
Therefore, a method is considered in which fine particles are precipitated from a solution and used instead of adding particles from the outside. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-163005 “Oxide Superconducting Current-Limiting Conductor Manufacturing Method” and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-53776 “Metal Oxide Coating Method and Metal Oxide Coating” In the membrane method, a precursor solution mainly composed of cations constituting oxides is hydrolyzed, sol particles containing these cations are generated from the liquid, and the solution in which these particles are dispersed is used for electricity. Film formation is performed by the electrophoresis method. In this way, fine particles of 1 μm or less are obtained, and a dense film is produced by electrophoresis.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The dielectric oxide film uses its dielectric properties or properties as an insulator, and those properties are also used for materials having piezoelectricity and ferroelectricity. At that time, there has been no particular problem even if the dielectric oxide film is opaque.
[0007]
However, in recent years, with the spread of optical communication, the demand for new optical elements that process optical signals has increased, and among them, optical elements such as optical waveguides using dielectric oxide films with electro-optical properties have been proposed. Has been. These elements are formed by forming a dielectric oxide film having a desired shape such as a planar shape or a strip shape on a substrate, and the dielectric oxide film is transparent with a thickness of several μm to transmit light. It is desirable.
[0008]
The conventional dry film formation method and sol-gel method are suitable for producing a transparent oxide film. However, in order to obtain a crystalline film, a heat treatment of at least 500 ° C. is required. Further, in the former, it is difficult to form a uniform film over a large area with a composition variation problem, and in the latter, it is difficult to make an arbitrary shape and to increase the film thickness because contraction strain occurs. Furthermore, if the above-described high-concentration sol-gel method is used, a thick and transparent oxide film can be produced, but it is difficult to produce a desired shape on the substrate.
[0009]
On the other hand, in the case of the electrophoretic film forming method, it is easy to form a thick film, and an oxide film can be formed into an arbitrary shape by changing the electrode shape. Furthermore, if crystallized particles are used, heat treatment after film formation can be eliminated.
[0010]
However, a method of forming a film by electrophoresis using a solution in which sol particles obtained by hydrolyzing a precursor compound are dispersed as disclosed in JP-A-5-163005 and JP-A-8-53776. Is a method of forming a film using particles that are visible even though it is 1 μm or less, it is difficult to obtain an optically transparent film and to produce a fine film structure of 1 μm or less.
[0011]
The precursor compound that has undergone hydrolysis is subsequently subjected to polycondensation to increase the molecular weight to form sol particles, increasing the viscosity of the solution and forming a broad sol state. The electrophoretic electrodeposition method in the prior art described above uses this sol-state solution. Thus, when particles that can be seen even though they are particles of 1 μm or less are not transparent, it is difficult to make them transparent after heat treatment at a high temperature at which a liquid phase sintering reaction occurs.
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to improve a conventional high-concentration sol-gel method, and to produce a transparent dielectric oxide film having an arbitrary shape such as a planar shape or a belt shape without heat treatment at a high temperature after the film formation. Is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for producing a dielectric oxide film of the present invention comprises:
Providing a precursor solution containing metal ions constituting the dielectric oxide, the precursor solution having a concentration from substantially saturated to supersaturated,
Hydrolyzing the precursor solution at a temperature equal to or lower than a temperature at which gelation is performed by hydrolysis and subsequent condensation polymerization reaction to obtain a transparent sol solution;
Forming a gel film equal to the solute composition of the sol solution on the cathode side electrode by applying a voltage to a pair of electrodes immersed in the sol solution;
Heat-treating the gel film to form an oxide film;
It is characterized by providing.
[0014]
And the precursor solution containing the metal ion is an organic alkoxide, a metal acetylacetonate, an inorganic salt, and at least one of those obtained by substituting a part of the functional groups of these compounds with other functional groups. It is characterized by being a transparent solution dissolved in a solvent.
[0015]
In addition, the step of forming the gel film includes a step of applying a direct current voltage to the pair of electrodes to form a gel film on the cathode side electrode, or a step of applying a voltage in which a direct current is superimposed on the pair of electrodes. And a step of forming a gel film on the low voltage side electrode.
[0016]
The cathode-side electrode is a plate, rod, or wire made of a conductive material, and the conductive material includes a surface of an insulating material in which a conductive material is formed entirely or partially. And
[0017]
Further, the precursor solution is a solution in which an alkoxide of Ba and Ti is dissolved in an organic solvent, and the dielectric oxide film is BaTiO 3 .
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for producing a dielectric oxide film of the present invention includes:
(1) preparing a precursor solution containing a metal ion constituting the dielectric oxide, the precursor solution having a concentration from the saturation to the supersaturation,
(2) a step of hydrolyzing the precursor solution at a temperature equal to or lower than a temperature at which gelation is performed by hydrolysis and subsequent condensation polymerization reaction to obtain a transparent sol solution;
(3) forming a gel film equal to the solute composition of the sol solution on the cathode side electrode by applying a voltage to a pair of electrodes immersed in the sol solution;
(4) a step of heat-treating the gel film to form an oxide film;
It has.
[0019]
The dielectric oxide film manufacturing method of the present invention is a method of forming a film by electrophoresis using a sol solution obtained by hydrolyzing a precursor solution. Then, when the precursor solution is hydrolyzed to form a sol solution, an optically transparent sol solution is prepared by using the sol containing cluster particles having a small molecular weight by suppressing the condensation polymerization reaction.
[0020]
As a method for suppressing the polycondensation reaction, a method of hydrolyzing at a temperature equal to or lower than the temperature at which gelation occurs by hydrolysis and subsequent polycondensation reaction is employed. This temperature varies depending on the raw materials and solvent used and the amount of water added. For example, Ba ethoxide and Ti isopropoxide are dissolved at a concentration of 1 mol / L in a solvent in which methanol and ethylene glycol monomethyl ether are mixed at a ratio of 3: 2, and then hydrolyzed by adding water 8 times the amount of Ba ions. When it is, it is about 0 ° C. When the amount of water is 10 times, it is about -10 ° C.
[0021]
Since the sol containing cluster particles generated by hydrolysis is positively charged, when a direct current electric field is applied to the pair of electrodes, the sol moves to the cathode side and adheres to the substrate used for the cathode side electrode. When the voltage is further applied, the sol containing cluster particles starts to aggregate on the substrate, changes from the sol state to the gel state, and forms a gel film equal to the solute composition of the sol solution on the substrate. A transparent dielectric oxide film can be obtained by heat-treating this gel film.
[0022]
If particles having a diameter of about 0.1 μm are formed in the sol solution, the particles are present with the grain boundaries left in the dry state. However, such a grain boundary is not observed in the film obtained by the present invention. Even if the particles are finer than that, grain boundaries are confirmed by grain growth if heat treatment is performed at a high temperature. In the case of a film obtained by heat-treating the film prepared according to the present invention at 700 ° C. and strongly crystallized, the observed particle size is as small as about several tens of nm, which is about the same as the film manufactured by the vapor phase growth method. That is, in the present invention, the size of the particles that move by electrophoresis is very fine and is determined to be about the size of cluster particles, and it is considered that the sol solution is very close to the liquid phase.
[0023]
In the present invention, a high-concentration precursor solution whose concentration ranges from substantially saturated to supersaturated is used. For this reason, shrinkage | contraction distortion can be reduced and the gel and oxide without a crack can be obtained.
[0024]
In this high-concentration precursor solution, by applying a film forming method in which an electric field is applied to the sol solution containing the cluster particles, a planar shape having a sufficient thickness on the substrate by a low-temperature heat treatment of 500 ° C. or lower. Alternatively, a transparent dielectric oxide film having an arbitrary shape such as a belt shape can be formed, and an optical waveguide or the like can be manufactured.
[0025]
Examples of the dielectric oxide include perovskite compounds represented by the general formula ABO 3 (where A is Ba, Sr, Ca, Pb, etc., B is Ti, Zr, Sn, etc.), specifically ( Ba, Sr) TiO 3 , PbZrO 3 , (Pb, Ca) TiO 3 and the like.
[0026]
As the solute of the precursor solution, inorganic acid salts such as metal alkoxides, metal acetylacetonates, and acetates containing the metal constituting the dielectric oxide are used. In addition, a compound in which a part of the functional group of these compounds is substituted with another functional group, for example, a part of the alkyl group is substituted with a carboxyl group can be used.
[0027]
Examples of the organic solvent include various solvents such as alcohols such as methanol and ethanol, and ethers such as ethylene glycol monomethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether, which are used appropriately in combination with the precursor to be dissolved.
[0028]
A DC voltage is used as the voltage applied when forming the gel film. It is also possible to control the adhesion of the gel film by superimposing alternating current on direct current and changing the waveform, period and amplitude of this alternating current.
[0029]
As the electrode on the cathode side for forming the gel film, a plate, rod, wire, or insulating material made of a conductive material and a conductive material formed entirely or partially on the surface is used. At this time, the gel film can be selectively formed by making the electrode to be formed into an arbitrary shape. It is also possible to form a gel film with an electrode having an arbitrary shape by applying a mask using a photoresist or the like over the conductive film formed on the entire surface of the conductive substrate or the insulator substrate.
[0030]
【Example】
(Example 1)
As an embodiment of the present invention, a method for producing a BaTiO 3 film as a dielectric oxide film, that is, a method for producing a BaTiO 3 film on a Pt film formed on a Si wafer will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an apparatus for producing a dielectric oxide film by the method of the present invention.
[0031]
First, a precursor solution was prepared by dissolving Ba ethoxide and Ti isopropoxide in a solvent so as to have the same molar ratio as the metal ion composition constituting the BaTiO 3 film as the dielectric oxide film. As the solvent, a liquid obtained by mixing methanol and ethylene glycol monomethyl ether containing no water in a ratio of 3: 2 was used. The solute concentration was 1.1 mol / L close to the saturation concentration.
[0032]
Next, this precursor solution is transferred to a glass container 1 containing dry nitrogen gas, and further, the glass container is placed in a bath at −30 ° C., which is equal to or lower than the temperature at which gelation occurs by hydrolysis and subsequent condensation polymerization reaction. Soaked. In a cooled state, the precursor solution was hydrolyzed by adding 8 times the molar amount of water to the molar amount of Ba ions. Then, it was made -10 degreeC over 1 hour, moved to a 0 degreeC thermostat, and performed aging, and the sol solution 2 containing a cluster-form sol was produced.
[0033]
Next, the substrate 3 and the anode electrode 4 were inserted into the glass container 1 containing the sol solution 2. The substrate 3 is obtained by forming a Pt film on a Si wafer subjected to surface oxidation treatment by a sputtering method. The anode electrode 4 is a stainless steel rod. These insertions were performed under a dry nitrogen atmosphere so that the sol solution 2 was not exposed to the air.
[0034]
Next, after the glass container 1 is moved to the bath 5 set to −20 ° C. with the refrigerant 6, the substrate 3 and the anode electrode 4 are connected to a DC power source (not shown) so that the substrate 3 becomes a cathode. Was applied. As the voltage was increased, a transparent gel film 7 was deposited on the substrate 3. FIG. 2 shows the adhesion amount per unit area of the gel film to the cathode-side electrode when the voltage is changed with the application time kept constant for 10 minutes. When the voltage is low, it does not adhere much, but the amount of adhesion increases at 10V or more.
[0035]
Next, the substrate 3 with the gel film 7 is taken out and a transparent dielectric oxide film crystallized into BaTiO 3 is obtained by aging in the atmosphere at 50 ° C. for 2 days and further at 150 ° C. for 1 day. Obtained. FIG. 3 shows an X-ray diffraction (XRD) chart showing that the obtained dielectric oxide film is crystallized into BaTiO 3 .
[0036]
(Example 2)
Photoresist was applied to the entire surface of the substrate 3 on which the Pt film shown in Example 1 was formed to a thickness of 5 μm, and then a strip-shaped figure having a width of 2 μm was exposed and developed. As a result, a band-shaped groove having a width of 2 μm with the Pt film exposed at the bottom was formed on the surface of the substrate 3.
[0037]
Next, after removing a part of the resist film at the end of the substrate 3 so that the Pt film can be energized, it is immersed in the same sol solution as in Example 1 and a DC voltage is applied between the anode electrode and the anode electrode. Applied. As a result, the gel film selectively adhered in the groove of the resist provided on the substrate 3. Thereafter, aging was performed in the same manner as in Example 1, and then the resist on the substrate was stripped with a stripping solution. As a result, a gel band structure having a width of about 1.2 μm and a height of 4 μm was obtained. Further, in the same manner as in Example 1, a band-shaped transparent dielectric film was obtained by heat treatment. This method of manufacturing a strip-shaped transparent dielectric film is a useful method as a method of manufacturing an optical waveguide.
[0038]
(Example 3)
An electron beam resist is applied to the surface of the substrate 3 on which the Pt film shown in Example 1 is formed to a thickness of 2 μm, and then a figure in which circles of 1 μm diameter are arranged in a triangular lattice at a pitch of 4 μm is drawn with an electron beam. Developed. As a result, an array of 1 μm diameter holes with the Pt film exposed on the bottom was formed on the surface of the substrate 3.
[0039]
Next, after removing a part of the resist film at the end of the substrate 3 so that the Pt film can be energized, it is immersed in a sol solution similar to that in Example 1, and a DC electric field is applied between the anode electrode and the anode electrode. Applied. As a result, the gel film selectively adhered in the holes of the resist provided on the substrate 3. Thereafter, aging was performed in the same manner as in Example 1, and then the resist on the substrate was peeled off with a stripping solution. As a result, a cylindrical group of gel cylinders having a diameter of about 0.6 μm arranged in a triangular lattice at a pitch of 4 μm was obtained. . Further, in the same manner as in Example 1, a transparent dielectric film composed of a column group was obtained by heat treatment. This method for producing a transparent dielectric film comprising a group of cylinders is a useful method for producing a two-dimensional photonic crystal.
[0040]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the method for producing a dielectric oxide film of the present invention, a film forming method by an electrophoresis method using a sol solution containing cluster particles based on a high concentration sol-gel method. By adopting, a transparent gel film can be formed in an arbitrary shape and crystallized at a low temperature, so that a transparent dielectric oxide film can be obtained while suppressing thermal influence on the surroundings.
[0041]
Then, as a precursor solution for obtaining a sol solution, at least one of metal alkoxide, metal acetylacetonate, inorganic salt, and those obtained by substituting some of the functional groups of these compounds with other functional groups, organic By using a transparent solution dissolved in a solvent, the effects of the present invention can be obtained more reliably.
[0042]
In addition, as a step of forming the gel film, a step of applying a voltage in which a direct current is superimposed on a pair of electrodes is applied instead of a step of applying a direct current voltage to the pair of electrodes. Control becomes easier and the effects of the present invention can be obtained more reliably.
[0043]
In addition, a two-dimensional photonic for an optical waveguide can be obtained by using a plate, bar, wire, or insulating material formed entirely or partially on the surface of a conductive material as an electrode on the cathode side. A dielectric oxide film having an arbitrary shape can be obtained in accordance with a use such as a crystal.
[0044]
Furthermore, by using a solution in which an alkoxide of Ba and Ti is dissolved in an organic solvent as a precursor solution, a BaTiO 3 dielectric oxide film suitable for applications such as an optical waveguide and a two-dimensional photonic crystal can be obtained. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an apparatus for producing a dielectric oxide film by the method of the present invention.
2 is a graph showing the relationship between the adhesion amount of the gel film obtained by the production method of the present invention shown in Example 1 and the applied voltage. FIG.
3 is an X-ray diffraction (XRD) chart showing the crystallinity of a BaTiO 3 film obtained by the manufacturing method of the present invention shown in Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Glass container 2 Sol solution 3 Substrate 4 Anode electrode 5 Bath 6 Refrigerant 7 Gel film

Claims (5)

誘電体酸化物を構成する金属のイオンを含有する前駆体溶液であって、該前駆体の濃度がほぼ飽和から過飽和に至る濃度の前駆体溶液を準備する工程と、
該前駆体溶液を、加水分解とそれに続く縮重合反応によりゲル化する温度以下の温度で加水分解して、透明なゾル溶液とする工程と、
該ゾル溶液に浸漬された対となる電極に電圧を印加することにより、陰極側の電極にゾル溶液の溶質組成に等しいゲル膜を形成する工程と、
該ゲル膜を熱処理して酸化物膜とする工程と、
を備えることを特徴とする、誘電体酸化物膜の製造方法。
Preparing a precursor solution containing metal ions constituting the dielectric oxide, the precursor solution having a concentration from substantially saturated to supersaturated,
Hydrolyzing the precursor solution at a temperature equal to or lower than a temperature at which gelation occurs by hydrolysis and subsequent condensation polymerization reaction to obtain a transparent sol solution;
Forming a gel film equal to the solute composition of the sol solution on the cathode side electrode by applying a voltage to a pair of electrodes immersed in the sol solution;
Heat treating the gel film to form an oxide film;
A method for producing a dielectric oxide film, comprising:
前記金属イオンを含有する前駆体溶液は、金属アルコキシド、金属アセチルアセトナート、無機塩、およびこれら化合物の官能基の一部を他の官能基で置換したもののうちの少なくとも1種を、有機溶媒に溶解した透明溶液であることを特徴とする、請求項1に記載の誘電体酸化物膜の製造方法。The precursor solution containing the metal ion is a metal alkoxide, a metal acetylacetonate, an inorganic salt, and at least one of those obtained by substituting some of the functional groups of these compounds with other functional groups in an organic solvent. 2. The method for producing a dielectric oxide film according to claim 1, wherein the dielectric oxide film is a dissolved transparent solution. 前記ゲル膜を形成する工程は、対となる電極に直流電圧を印加して陰極側の電極にゲル膜を形成する工程、または、対となる電極に直流に交流を重ねた電圧を印加して低電圧側の電極にゲル膜を形成する工程、であることを特徴とする、請求項1または2の何れかに記載の誘電体酸化物膜の製造方法。In the step of forming the gel film, a direct current voltage is applied to the pair of electrodes to form a gel film on the cathode side electrode, or a direct current is applied to the pair of electrodes. The method for producing a dielectric oxide film according to claim 1, wherein the method is a step of forming a gel film on an electrode on a low voltage side. 前記陰極側の電極は、導電性材料からなる板、棒または線であり、該導電性材料は絶縁材料の表面に導電性物質を全面または部分的に形成したものを含むことを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の誘電体酸化物膜の製造方法。The cathode-side electrode is a plate, rod, or wire made of a conductive material, and the conductive material includes a surface of an insulating material formed entirely or partially with a conductive material, The manufacturing method of the dielectric oxide film in any one of Claims 1-3. 前記前駆体溶液はBaおよびTiのアルコキシドを有機溶媒に溶かした溶液であって、前記誘電体酸化物膜はBaTiO3であることを特徴とする、請求項1〜4の何れかに記載の誘電体酸化物膜の製造方法。5. The dielectric according to claim 1, wherein the precursor solution is a solution in which an alkoxide of Ba and Ti is dissolved in an organic solvent, and the dielectric oxide film is BaTiO 3. Manufacturing method of body oxide film.
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KR101394967B1 (en) * 2012-08-10 2014-05-14 한국과학기술원 Method of manufacturing a transparent electrode, and method of manufacturing an electronic device having the transparent electrode

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JP4963223B2 (en) * 2006-12-04 2012-06-27 独立行政法人産業技術総合研究所 Method for producing metal oxide thin film with controlled surface microstructure and metal oxide thin film
JP2008231516A (en) * 2007-03-20 2008-10-02 Toyota Motor Corp Metal oxide thin film, capacitor, hydrogen separation membrane-electrolyte membrane joined body and method for manufacturing fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101290714B1 (en) * 2012-02-03 2013-07-29 한국과학기술원 Process of transparent electrode
KR101394967B1 (en) * 2012-08-10 2014-05-14 한국과학기술원 Method of manufacturing a transparent electrode, and method of manufacturing an electronic device having the transparent electrode

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