JP6311179B2 - 強誘電体セラミックス - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体セラミックス及びその製造方法に関する。
従来のPb(Zr,Ti)O3（以下、「PZT」という。）ペロブスカイト型強誘電体セラミックスの製造方法について説明する。
4インチSiウエハ上に膜厚300nmのSiO2膜を形成し、このSiO2膜上に膜厚5nmのTiOX膜を形成する。次に、このTiOX膜上に例えば(111)に配向した膜厚150nmのPt膜を形成し、このPt膜上にスピンコーターによってPZTゾルゲル溶液を回転塗布する。この際のスピン条件は、1500rpmの回転速度で30秒間回転させ、4000rpmの回転速度で10秒間回転させる条件である。
次に、この塗布されたPZTゾルゲル溶液を250℃のホットプレート上で30秒間加熱保持して乾燥させ、水分を除去した後、さらに500℃の高温に保持したホットプレート上で60秒間加熱保持して仮焼成を行う。これを複数回繰り返すことで膜厚150nmのPZTアモルファス膜を生成する。
次いで、このPZTアモルファス膜に加圧式ランプアニール装置（RTA: rapidly thermal anneal）を用いて700℃のアニール処理を行ってPZT結晶化を行う。このようにして結晶化されたPZT膜はペロブスカイト構造からなる（例えば特許文献１参照）。
本発明の一態様は、良好な圧電特性を有する圧電体膜を得ることを課題とする。
以下に、本発明の種々の態様について説明する。
［１］（１１０）に配向したＺｒＯ２膜と、
前記ＺｒＯ２膜上に接して形成されたＰｔ膜と、
前記Ｐｔ膜上に形成された圧電体膜と、
を具備することを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１］（１１０）に配向したＺｒＯ２膜と、
前記ＺｒＯ２膜上に接して形成されたＰｔ膜と、
前記Ｐｔ膜上に形成された圧電体膜と、
を具備することを特徴とする強誘電体セラミックス。
［２］（１１０）に配向したＣｅＯ２膜と、
前記ＣｅＯ２膜上に接して形成されたＰｔ膜と、
前記Ｐｔ膜上に形成された圧電体膜と、
を具備することを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記ＣｅＯ２膜上に接して形成されたＰｔ膜と、
前記Ｐｔ膜上に形成された圧電体膜と、
を具備することを特徴とする強誘電体セラミックス。
［３］上記［１］または［２］において、
前記Ｐｔ膜は（１００）または（２００）に配向していることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記Ｐｔ膜は（１００）または（２００）に配向していることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［４］上記［１］において、
前記ＺｒＯ２膜は基板上に形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記ＺｒＯ２膜は基板上に形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［５］上記［２］において、
前記ＣｅＯ２膜は基板上に形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記ＣｅＯ２膜は基板上に形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［６］基板上に蒸着法により（１１０）に配向したＺｒＯ２膜または（１１０）に配向したＣｅＯ２膜を形成し、
前記ＺｒＯ２膜または前記ＣｅＯ２膜上にエピタキシャル成長によるＰｔ膜を接して形成し、
前記Ｐｔ膜上に圧電体膜を形成することを特徴とする強誘電体セラミックスの製造方法。
前記ＺｒＯ２膜または前記ＣｅＯ２膜上にエピタキシャル成長によるＰｔ膜を接して形成し、
前記Ｐｔ膜上に圧電体膜を形成することを特徴とする強誘電体セラミックスの製造方法。
［７］積層膜と、
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、ＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、ＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［８］積層膜と、
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、第１のＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成され、前記Ｎ回繰り返して形成された膜上に第２のＺｒＯ２膜が形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、第１のＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成され、前記Ｎ回繰り返して形成された膜上に第２のＺｒＯ２膜が形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［９］上記［７］または［８］において、
前記積層膜のＡｌ濃度は下記式１（好ましくは下記式１'）を満たすことを特徴とする強誘電体セラミックス。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
前記積層膜のＡｌ濃度は下記式１（好ましくは下記式１'）を満たすことを特徴とする強誘電体セラミックス。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
［１０］上記［７］乃至［９］のいずれか一項において、
前記積層膜と圧電体膜との間には、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜と当該酸化物膜上に形成されたＰｔ膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜と圧電体膜との間には、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜と当該酸化物膜上に形成されたＰｔ膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１１］上記［１０］において、
前記酸化物膜と前記Ｐｔ膜との間に体心立方格子構造を有する金属結晶膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記酸化物膜と前記Ｐｔ膜との間に体心立方格子構造を有する金属結晶膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１２］上記［１０］または［１１］おいて、
前記体心立方格子構造を有する金属結晶は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ルビジウム(Ｒｂ)、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ユウロピウム（Ｅｕ）の群から選択された一の金属結晶であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記体心立方格子構造を有する金属結晶は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ルビジウム(Ｒｂ)、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ユウロピウム（Ｅｕ）の群から選択された一の金属結晶であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１３］上記［７］乃至［９］のいずれか一項において、
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有することを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有することを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１４］上記［８］において、
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有し、
前記電極膜は、前記第２のＺｒＯ２膜と接することを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有し、
前記電極膜は、前記第２のＺｒＯ２膜と接することを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１５］上記［１３］または［１４］において、
前記電極膜は酸化物または金属からなることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記電極膜は酸化物または金属からなることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１６］上記［１３］または［１４］において、
前記電極膜はＰｔ膜またはＩｒ膜であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記電極膜はＰｔ膜またはＩｒ膜であることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１７］上記［７］乃至［９］のいずれか一項において、
前記積層膜はＳｉ基板上に形成されており、
前記Ｓｉ基板と前記積層膜との間にはＺｒＳｉＯ４膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜はＳｉ基板上に形成されており、
前記Ｓｉ基板と前記積層膜との間にはＺｒＳｉＯ４膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１８］上記［１７］において、
前記積層膜と前記ＺｒＳｉＯ４膜との間にはＡｌ２Ｏ３膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜と前記ＺｒＳｉＯ４膜との間にはＡｌ２Ｏ３膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
［１９］上記［１０］において、
前記積層膜はＳｉ基板上に形成されており、前記Ｓｉ基板、前記積層膜、前記体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜及び前記Ｐｔ膜それぞれは（１００）に配向していることを特徴とする強誘電体セラミックス。
前記積層膜はＳｉ基板上に形成されており、前記Ｓｉ基板、前記積層膜、前記体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜及び前記Ｐｔ膜それぞれは（１００）に配向していることを特徴とする強誘電体セラミックス。
なお、上記の本発明の種々の態様において、特定のＡ（以下「Ａ」という）の上（または下）に特定のＢ（以下「Ｂ」という）を形成する（Ｂが形成される）というとき、Ａの上（または下）に直接Ｂを形成する（Ｂが形成される）場合に限定されず、Ａの上（または下）に本発明の作用効果を阻害しない範囲で、他のものを介してＢを形成する（Ｂが形成される）場合も含むものとする。
本発明の一態様を適用することで、良好な圧電特性を有する圧電体膜を得ることができる。
以下では、本発明の実施形態及び実施例について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態の記載内容及び実施例に限定して解釈されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図である。
図１は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図である。
基板１０１を準備する。この基板としては、種々の基板を用いることができ、例えばＳｉ単結晶やサファイア単結晶などの単結晶基板、表面に金属酸化物膜が形成された単結晶基板、表面にポリシリコン膜またはシリサイド膜が形成された基板等を用いることができる。なお、本実施形態では、表面にＸＯ膜が形成されたＳｉ基板を用いる。ＸＯ膜は、Ｓｉと相性の良い金属酸化物膜であり、例えば希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物膜、酸化ジルコニウム膜、Ｚｒの一部を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化ジルコニウム膜、ＹＳＺと呼ばれるＹ２Ｏ３でＺｒの一部を置換した酸化ジルコニウム膜、またはシリサイド（例えば、ＺｉＳｉＯ４）膜である。
次に、基板１０１上に（１１０）に配向したＺｒＯ２膜１０２を蒸着法により形成する。
この後、ＺｒＯ２膜１０２上にエピタキシャル成長によるＰｔ膜１０３を形成する。ＺｒＯ２膜１０２が（１１０）に配向し、かつＺｒＯ２膜１０２と接して形成されることで、Ｐｔ膜１０３は（１００）または（２００）に配向する。Ｐｔ膜１０３は電極膜として機能するとよい。
なお、本実施形態では、基板１０１上に（１１０）に配向したＺｒＯ２膜１０２を蒸着法により形成するが、ＺｒＯ２膜１０２をＣｅＯ２膜に変更してもよい。つまり、基板１０１上に（１１０）に配向したＣｅＯ２膜を蒸着法により形成し、このＣｅＯ２膜上にエピタキシャル成長によるＰｔ膜１０３を形成しても同様の効果を得ることができる。
次に、Ｐｔ膜１０３上にｃ軸方向に配向した圧電体膜の一例であるＰＺＴ膜（図示せず）を形成する。なお、本明細書において「ＰＺＴ膜」は、Pb(Zr,Ti)O3に不純物を含有するものも含み、その不純物を含有させてもＰＺＴ膜の圧電体の機能を消滅させないものであれば種々のものを含有させてもよいものとする。
以下にＰＺＴ膜の形成方法の一例について詳細に説明する。
PZT膜形成用ゾルゲル溶液としては、ブタノールを溶媒とする鉛が70%〜90%不足した量添加された、濃度10重量%濃度のE1溶液を用いた。
PZT膜形成用ゾルゲル溶液としては、ブタノールを溶媒とする鉛が70%〜90%不足した量添加された、濃度10重量%濃度のE1溶液を用いた。
このゾルゲル溶液に、ジメチルアミノエタノールというアミノ基を有するアルカリ性アルコールを、体積比で、E1ゾルゲル溶液：ジメチルアミノエタノール＝７：３の割合で添加したところ、pH=12と強アルカリ性を示した。
上記、本溶液を用いて、PZTアモルファス膜のスピンコート形成を行った。スピンコーターはミカサ株式会社製MS-A200を用いて行った。先ず800rpmで5秒、1500rpmで10秒回転させた後、徐々に10秒で3000rpmまで回転を上昇させた後、150℃のホットプレート（アズワン株式会社製セラミックホットプレートAHS-300）上に5min、大気中で放置した後、300℃のホットプレート（同AHS-300）上で10min、同じく大気中で放置した後、室温まで冷却した。これを5回繰り返すことで、所望の膜厚200nmのPZTアモルファス膜をＰｔ膜１０３上に形成した。これを複数枚作製した。
次いで、上記のPZTアモルファス膜を、加圧酸素雰囲気で熱処理することにより、ＰＺＴアモルファス膜を結晶化したＰＺＴ膜をＰｔ膜１０３上に形成する。なお、ＰＺＴの格子定数の一例は０．４０１ｎｍである。
上記のようにＰＺＴ膜を形成した後に、ＰＺＴ膜にポーリング処理を行ってもよい。
本実施形態によれば、Ｐｔ膜１０３は（１００）または（２００）に配向するため、そのＰｔ膜１０３上に圧電体膜としてのＰＺＴ膜を形成することにより、良好な圧電特性を有する圧電体膜を得ることができる。
また、ＺｒＯ２膜１０２またはＣｅＯ２膜が（１１０）に配向し、ＺｒＯ２膜１０２またはＣｅＯ２膜をＰｔ膜１０３と接して形成すると、Ｐｔ膜１０３が（１００）または（２００）に配向する理由は以下のように考えられる。
Ｐｔは、立方晶であり、その格子定数ａが４．０８６オングストロームである。ＺｒＯ２は、立方晶であり、その格子定数ａが５．１４７オングストロームである。ＺｒＯ２（１１０）の結晶は図２に示すものである。ＺｒＯ２を（１１０）で成長させ、最も乱雑さが大きい場合を考える。つまり、エネルギーが最小の場合は、図３に示すように、ＺｒＯ２膜１０２のＺｒＯ２（１１０）の結晶が４つに対してＰｔ膜１０３のＰｔ（１００）の結晶４つを対応させることを考えると、Ｐｔ（１００）とのミスフィットが０．４％となり、格子がうまく整合するといえる。
ＣｅＯ２は、立方晶であり、その格子定数ａが５．４１１オングストロームである。ＣｅＯ２を（１１０）で成長させ、最も乱雑さが大きい場合を考える。つまり、エネルギーが最小の場合は、図４に示すように、ＣｅＯ２膜１０２ａのＣｅＯ２（１１０）の結晶が４つに対してＰｔ膜１０３のＰｔ（１００）の結晶４つを対応させることを考えると、Ｐｔ（１００）とのミスフィットが４．７％となり、格子がうまく整合するといえる。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図である。
図５は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図である。
図５に示すように、（１００）の結晶面を有するＳｉ基板１１上にＺｒＳｉＯ４膜１２を形成する。
次に、ＺｒＳｉＯ４膜１２上に積層膜１３を形成する。積層膜１３は、第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が順次Ｎ回繰り返して形成されたものであり、Ｎは１以上の整数である。図５にはＮが１の場合が示されている。
積層膜１３のＡｌ濃度は下記式１を満たすとよく、好ましくは下記式１'を満たすとよい。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
積層膜１３のＡｌ濃度は下記式１を満たすとよく、好ましくは下記式１'を満たすとよい。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
以下に積層膜１３の成膜方法の一例について詳細に説明する。
第１のＺｒＯ２膜１２２は、その膜厚が例えば３〜１５ｎｍであり、反応性蒸着法により形成される。この際の成膜条件は表１に示すとおりである。
第１のＺｒＯ２膜１２２は、その膜厚が例えば３〜１５ｎｍであり、反応性蒸着法により形成される。この際の成膜条件は表１に示すとおりである。
次いで、第１のＺｒＯ２膜１２２上に膜厚が例えば３〜１５ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜１２３を反応性蒸着法により形成する。この際の成膜条件は表１に示すとおりである。
次いで、Ａｌ２Ｏ３膜１２３上に、上記の第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３の成膜をＮ回繰り返す（Ｎ：１以上の整数）。このようにして第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が積層される。積層膜１３は、第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が熱拡散によってＡｌＺｒＯ膜となってもよい。また、ＺｒＯ２とＡｌ２Ｏ３は相性が良いため、第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３との接合状態は良好である。
また、積層膜１３はＳｉ基板１１の（１００）の結晶面と同様に（１００）に配向する。この積層膜１３は、その膜厚が１００ｎｍ以下（好ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍ）であるとよく、単結晶性が極めて高い膜である。また、積層膜１３は、ジルコニアとアルミナを複合化させた材料であり、極めて高強度である。
その後、積層膜１３上にエピタキシャル成長によるＰｔ膜１５を形成する。積層膜１３が（１００）に配向しているため、Ｐｔ膜１５は（２００）に配向する。Ｐｔ膜１５は電極膜として機能するとよい。なお、Ｐｔ膜１５は、Ｐｔ以外の電極膜であってもよい。この電極膜は、例えば酸化物または金属からなる電極膜でもよいし、Ｐｔ膜またはＩｒ膜でもよい。
次に、（２００）に配向したＰｔ膜１５上にｃ軸方向に配向した圧電体膜の一例であるＰＺＴ膜（図示せず）を形成する。このＰＺＴ膜の形成方法は、第１の実施形態と同様である。
この後、ＰＺＴ膜にポーリング処理を行ってもよい。
本実施形態によれば、積層膜１３が（１００）に配向するため、その積層膜１２上に圧電体膜としてのＰＺＴ膜を形成することにより、良好な圧電特性を有する圧電体膜を得ることができる。
また、Ｓｉ基板１１上にＺｒＳｉＯ４膜１２を接して形成する理由は、ＺｒＳｉＯ４とＳｉは相性が良いため、接合状態が良好となるからである。
なお、本実施形態では、Ｓｉ基板１１上にＺｒＳｉＯ４膜１２を形成しているが、これは必須ではなく、Ｓｉ基板１１上にＺｒＳｉＯ４膜１２を形成しない場合も実施可能である。
（第３の実施形態）
図６は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図であり、図５と同一部分には同一符号を付す。
図６は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図であり、図５と同一部分には同一符号を付す。
（１００）の結晶面を有するＳｉ基板１１上に第２の実施形態と同様の方法でＺｒＳｉＯ４膜１２を形成する。
次いで、ＺｒＳｉＯ４膜１２上に積層膜１４を形成する。積層膜１４は、第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が順次Ｎ回繰り返して形成され、前記Ｎ回繰り返して形成された膜上に第２のＺｒＯ２膜１２４が形成されたものであり、Ｎは１以上の整数である。図６にはＮが１の場合が示されている。
積層膜１４のＡｌ濃度は下記式１を満たすとよく、好ましくは下記式１'を満たすとよい。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１
５ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦３０ｍｏｌ％ ・・・式１'
以下に積層膜１４の成膜方法の一例について詳細に説明する。
第１のＺｒＯ２膜１２２及びＡｌ２Ｏ３膜１２３は、第２の実施形態と同様の方法で成膜される。
第１のＺｒＯ２膜１２２及びＡｌ２Ｏ３膜１２３は、第２の実施形態と同様の方法で成膜される。
次いで、Ａｌ２Ｏ３膜１２３上に、上記の第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３の成膜をＮ回繰り返す（Ｎ：１以上の整数）。次いで、Ａｌ２Ｏ３膜１２３上に膜厚が例えば３〜１５ｎｍの第２のＺｒＯ２膜１２４を反応性蒸着法により形成する。この際の成膜条件は第１のＺｒＯ２膜１２２の成膜条件と同様である。このようにして第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が積層され、かつＡｌ２Ｏ３膜１２３をＺｒＯ２膜が上下で挟む上下対称のサンドイッチ構造とした積層膜１４が形成される。積層膜１３は、第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３と第２のＺｒＯ２膜１２４が熱拡散によってＡｌＺｒＯ膜となってもよい。
また、積層膜１４はＳｉ基板１１の（１００）の結晶面と同様に（１００）に配向する。この積層膜１４は、その膜厚が１００ｎｍ以下（好ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍ）であるとよく、単結晶性が極めて高い膜である。
その後、積層膜１４上に第２の実施形態と同様の方法でエピタキシャル成長によるＰｔ膜１５を形成する。
次に、Ｐｔ膜１５上にｃ軸方向に配向した圧電体膜の一例であるＰＺＴ膜（図示せず）を第２の実施形態と同様の方法で形成する。
本実施形態においても第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
図７は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図であり、図６と同一部分には同一符号を付す。
図７は、本発明の一態様に係る強誘電体セラミックスの製造方法を説明する模式的な断面図であり、図６と同一部分には同一符号を付す。
（１００）の結晶面を有するＳｉ基板１１上に第３の実施形態と同様の方法でＺｒＳｉＯ４膜１２及び積層膜１４を順に形成する。
次に、第２のＺｒＯ２膜１２４上に、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜の一例としてアナターゼ型のＴｉＯ２膜２５を低温で形成する。この際の成膜条件は以下のとおりである。
成膜方法 ：スパッタリング
成膜圧力 ：4Pa
成膜基板温度：200℃
成膜時のガス：O2/Ａｒ
Ａｒ流量 ：1/9（O2/Ar）sccm
ＲＦ出力 ：200Ｗ（13.56MHz電源)
成膜時間 ：3分（膜厚20nm）
ターゲット ：ＴｉＯ２焼結体
成膜方法 ：スパッタリング
成膜圧力 ：4Pa
成膜基板温度：200℃
成膜時のガス：O2/Ａｒ
Ａｒ流量 ：1/9（O2/Ar）sccm
ＲＦ出力 ：200Ｗ（13.56MHz電源)
成膜時間 ：3分（膜厚20nm）
ターゲット ：ＴｉＯ２焼結体
なお、体心立方格子構造を有する金属結晶は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ルビジウム(Ｒｂ)、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ユウロピウム（Ｅｕ）の群から選択された一の金属結晶であるとよい。
次に、ＴｉＯ２膜２５上にＴｉ膜２６を形成する。この際の成膜条件は以下のとおりである。
成膜方法 ：スパッタリング
成膜圧力 ：2Pa
成膜基板温度：200℃
成膜時のガス：Ａｒ
Ａｒ流量 ：10sccm
ＲＦ出力 ：200Ｗ（13.56MHz電源)
成膜時間 ：0.5 分（膜厚20nm）
ターゲット ：Ｔｉ金属バルク体
成膜方法 ：スパッタリング
成膜圧力 ：2Pa
成膜基板温度：200℃
成膜時のガス：Ａｒ
Ａｒ流量 ：10sccm
ＲＦ出力 ：200Ｗ（13.56MHz電源)
成膜時間 ：0.5 分（膜厚20nm）
ターゲット ：Ｔｉ金属バルク体
次に、Ｔｉ膜２６上に第２の実施形態と同様の方法でエピタキシャル成長によるＰｔ膜１５を形成する。
次に、Ｐｔ膜１５上にｃ軸方向に配向した圧電体膜の一例であるＰＺＴ膜を第２の実施形態と同様の方法で形成する。
第２のＺｒＯ２膜１２４上にＴｉＯ２膜２５を接して形成する理由は、低温で成膜したアナターゼ型のＴｉＯ２膜のヤング率が２０５ＧＰａで、ＺｒＯ２のヤング率が２００ＧＰａであるため、両者の硬さがほぼ一致しており、且つ、ＴｉとＺｒは相性の良い金属同士であるため、接合状態が良好となるからである。
また、ＴｉＯ２膜２５上にＴｉ膜２６を接して形成する理由は、金属とその金属と同一金属の酸化物とは密着性が良好であるからである。
また、Ｔｉ膜２６上にＰｔ膜１５を接して形成する理由は、ＴｉとＰｔは良好な合金を作り、且つ密着性が良好であり、且つＴｉ膜２６は体心立方格子構造であるため、その上のＰｔ膜１３が（１００）配向し易い効果を持つからである。
本実施形態においても第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態では、Ｐｔ膜１５とＴｉＯ２膜２５との間にＴｉ膜２６を形成しているが、ＴｉＯ２膜２５とＰｔ膜１５は密着性が良いため、Ｔｉ膜２６を形成せずに、ＴｉＯ２膜２５上にＰｔ膜１５を形成する構成としてもよい。つまり、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜上にＰｔ膜１５を形成する構成としてよい。また、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜上に体心立方格子構造を有する金属結晶膜を形成し、その金属結晶膜上にＰｔ膜１５を形成する構成としてよい。
なお、上述した第１乃至第４の実施形態を適宜組合せて実施してもよい。
また、第２乃至第４の実施形態では、Ａｌ２Ｏ３膜１２３とＺｒＳｉＯ４膜１２との間に第１のＺｒＯ２膜１２２を配置する構成としているが、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＳｉＯ４は相性が良いため、ＺｒＳｉＯ４膜１２上の第１のＺｒＯ２膜１２２を形成せずに、ＺｒＳｉＯ４膜１２上にＡｌ２Ｏ３膜１２３を接して形成してもよい。
図８は、実施例１によるサンプルのＸＲＤ(X-Ray Diffraction)チャートである。このサンプルは以下のように作製した。
（１００）の結晶面を有するＳｉウエハの上に蒸着法によりＺｒＯ２膜を成膜した。この際の蒸着条件は表２に示すとおりである。このＺｒＯ２膜は（１１０）に配向した。
次に続けて、ＺｒＯ２膜上にスパッタリングにより厚さ１００ｎｍのＰｔ膜を成膜した。この際の成膜条件は表３に示すとおりである。このＰｔ膜は（１００）に配向した。
次に続けて、Ｐｔ膜上にスパッタリングにより厚さ２．５μｍのＰＺＴ膜を成膜した。この際の成膜条件は表３に示すとおりである。このようにしてサンプルを作製した。
図８に示すＸＲＤパターンから本実施例のサンプルの膜構造はＰＺＴ（００１）／Ｐｔ（１００）／ＺｒＯ２（１１０）／Ｓｉであることがわかった。従って、ＺｒＯ２膜が（１１０）に配向し、かつＰｔ膜がＺｒＯ２膜と接して形成されることで、Ｐｔ膜が（１００）に配向することが確認され、Ｐｔ膜が（１００）に配向することで、ＰＺＴ膜が結晶性よく（００１）に配向することが確認された。
図９は、図５に示す積層膜１３の（２００）のピークを示すＸＲＤチャートである。つまり、図９は、積層膜１３において第１のＺｒＯ２膜１２２とＡｌ２Ｏ３膜１２３が熱拡散によってＡｌＺｒＯ膜となり、膜構造がＡｌＺｒＯ／ＺｒＯ２／ＳｉとなったものについてのＸＲＤ回折結果を示している。
図９によれば、ＸＲＤ回折結果によってＡｌＺｒＯ（２００）のピークが得られたので、図５に示す積層膜１３は（２００）に配向することが確認された。従って、積層膜１３上に形成されたＰＺＴ膜は良好な圧電特性を有するといえる。
図１０は、図５に示すＳｉ基板１１、積層膜１３、Ｐｔ膜１５を順に成膜したもの（膜構造：Ｐｔ／ＡｌＺｒＯ／ＺｒＯ２／Ｓｉ）におけるＰｔの（４００）及び（１１１）のピークを示すＸＲＤチャートである。
図１０によれば、ＸＲＤ回折結果によってＰｔ（４００）のピークが得られたので、図５に示すＰｔ膜１５は（４００）に配向することが確認された。従って、Ｐｔ膜１５上に形成されたＰＺＴ膜は良好な圧電特性を有するといえる。
１１ Ｓｉ基板
１２ ＺｒＳｉＯ４膜
１３，１４ 積層膜
１５ Ｐｔ膜
２５ ＴｉＯ２膜
２６ Ｔｉ膜
１０１ 基板
１０２ ＺｒＯ２膜
１０２ａ ＣｅＯ２膜
１０３ Ｐｔ膜
１２２ 第１のＺｒＯ２膜
１２３ Ａｌ２Ｏ３膜
１２４ 第２のＺｒＯ２膜
１２ ＺｒＳｉＯ４膜
１３，１４ 積層膜
１５ Ｐｔ膜
２５ ＴｉＯ２膜
２６ Ｔｉ膜
１０１ 基板
１０２ ＺｒＯ２膜
１０２ａ ＣｅＯ２膜
１０３ Ｐｔ膜
１２２ 第１のＺｒＯ２膜
１２３ Ａｌ２Ｏ３膜
１２４ 第２のＺｒＯ２膜
Claims (13)
- 積層膜と、
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、ＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であり、
前記積層膜のＡｌ濃度は下記式１を満たすことを特徴とする強誘電体セラミックス。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１ - Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成されたＺｒＳｉＯ ４ 膜と、
前記ＺｒＳｉＯ ４ 膜上に形成された積層膜と、
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、ＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 積層膜と、
前記積層膜上に形成された圧電体膜と、
を具備し、
前記積層膜は、第１のＺｒＯ２膜とＡｌ２Ｏ３膜が順次Ｎ回繰り返して形成され、前記Ｎ回繰り返して形成された膜上に第２のＺｒＯ２膜が形成されたものであり、
前記Ｎは１以上の整数であることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項３において、
前記積層膜のＡｌ濃度は下記式１を満たすことを特徴とする強誘電体セラミックス。
２ｍｏｌ％≦Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｒ）≦５０ｍｏｌ％ ・・・式１ - 請求項１、３及び４のいずれか一項において、
前記積層膜と圧電体膜との間には、体心立方格子構造を有する金属結晶の酸化物膜と当該酸化物膜上に形成されたＰｔ膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項５において、
前記酸化物膜と前記Ｐｔ膜との間に体心立方格子構造を有する金属結晶膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項５または６において、
前記体心立方格子構造を有する金属結晶は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ルビジウム(Ｒｂ)、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ユウロピウム（Ｅｕ）の群から選択された一の金属結晶であることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項１、３及び４のいずれか一項において、
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有することを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項３おいて、
前記積層膜と前記圧電体膜との間に形成された電極膜を有し、
前記電極膜は、前記第２のＺｒＯ２膜と接することを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項８または９において、
前記電極膜は酸化物または金属からなることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項８または９において、
前記電極膜はＰｔ膜またはＩｒ膜であることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項１、３及び４のいずれか一項において、
前記積層膜はＳｉ基板上に形成されており、
前記Ｓｉ基板と前記積層膜との間にはＺｒＳｉＯ４膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。 - 請求項１２において、
前記積層膜と前記ＺｒＳｉＯ４膜との間にはＡｌ２Ｏ３膜が形成されていることを特徴とする強誘電体セラミックス。
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