JPH04264317A - Ferrodielectric substance - Google Patents

Ferrodielectric substance

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Publication number
JPH04264317A
JPH04264317A JP3045989A JP4598991A JPH04264317A JP H04264317 A JPH04264317 A JP H04264317A JP 3045989 A JP3045989 A JP 3045989A JP 4598991 A JP4598991 A JP 4598991A JP H04264317 A JPH04264317 A JP H04264317A
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JP
Japan
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substrate
film
sol
irregularities
ferroelectric material
Prior art date
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Pending
Application number
JP3045989A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Zenichi Akiyama
善一 秋山
Sachiko Kimura
祥子 木村
Itaru Fujimura
藤村 格
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP3045989A priority Critical patent/JPH04264317A/en
Publication of JPH04264317A publication Critical patent/JPH04264317A/en
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To prevent dielectric breakdown due to polarizing treatment and improve a yield by molding a ferrodielectric substance of a substrate with cyclic irregularities on the surface formed by a Sol-Gel technique and a ferrodielectric substance crystal orientation film thereon. CONSTITUTION:A ferrodielectric is molded of a substrate 1 which is formed by a Sol-Gel technique with cyclic irregularities on the surface and a ferrodielectric substance crystal orientation film 2 formed thereon. The film 2 has atoms arrayed along the irregularities on the substrate 1. To obtain film quality, crystal property and orientation approximated to those of a single crystal, the sizes of the irregularities are approximated to an atomic level to make L1, L2 as small as possible. As a change in size affects the film quality of the film 2, uniform irregularities are required all over the substrate. That is why a Sol-Gel technique is applied. No polarizing treatment is required at all and natural polarization is provided, so that the rate of crystal orientation is 50% or more to improve a yield of a high performance ferrodielectric substance.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【技術分野】本発明は、強誘電体に関する。本発明の強
誘電体は、圧電素子、赤外線検出素子、光導波路、空間
変調素子、電気光学素子、メモリ素子、ディスプレイ等
への各種用途を有する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to ferroelectric materials. The ferroelectric material of the present invention has various applications such as piezoelectric elements, infrared detection elements, optical waveguides, spatial modulation elements, electro-optical elements, memory elements, and displays.

【0002】0002

【従来技術】強誘電体のエレクトロニクス分野、及びオ
プトエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、
赤外線検出素子、光導波路、空間変調素子、電気光学素
子、メモリ素子、ディスプレイ等のさまざまなものがあ
る。ところで、強誘電物質の自発分極Psの変化を出力
として取り出す素子、例えば圧電素子、焦電型赤外線検
出素子では、強誘電物質の自発分極Psが一方向に揃っ
ているとき最も大きい出力が得られる。ところで、これ
ら素子に用いられている強誘電物質は多結晶体であり、
結晶軸の配列に方向性は無く、従って自発分極Psもラ
ンダムに配列している。そこでこれら強誘電物質を前述
のような素子に利用する場合、強誘電物質に高電界(〜
100kV/cm)を印加してPsの向きを揃える分極
処理が必要である。また、PLZT、PbTiO3など
の膜作製に関しては、多くの報告があるが、それらの強
誘電相の領域について、その分極軸であるc軸に配向し
た膜の製造方法については明らかにされていない。また
、自発分極までも一方向に配向した強誘電体の製造方法
については全く解明されていない。
[Prior Art] Applications of ferroelectric materials in the electronics and optoelectronics fields include piezoelectric elements,
There are various types such as infrared detection elements, optical waveguides, spatial modulation elements, electro-optical elements, memory elements, and displays. By the way, in an element that extracts a change in the spontaneous polarization Ps of a ferroelectric substance as an output, such as a piezoelectric element or a pyroelectric infrared detection element, the largest output can be obtained when the spontaneous polarization Ps of the ferroelectric substance is aligned in one direction. . By the way, the ferroelectric materials used in these devices are polycrystalline.
There is no directionality in the arrangement of the crystal axes, and therefore the spontaneous polarization Ps is also arranged randomly. Therefore, when these ferroelectric materials are used in the devices described above, it is necessary to apply a high electric field (~
100 kV/cm) is required to align the directions of Ps. Further, although there are many reports regarding the production of films of PLZT, PbTiO3, etc., the method of producing films in which the ferroelectric phase region of these films is oriented along the c-axis, which is the polarization axis, has not been clarified. Moreover, the method for manufacturing ferroelectric materials in which even spontaneous polarization is oriented in one direction has not been elucidated at all.

【0003】0003

【目的】強誘電物質に高電界を印加してPsを揃える方
法では次のような問題が生じる。 (1) 分極処理により絶縁破壊が生ずる場合があり、
歩留まりが下がる。 (2) 高分解能アレイ素子のように多くの微小素子が
高密度に配列しているものでは、それらを均一に分極す
ることが困難である。 (3) 半導体デバイス上に強誘電物質の薄膜を形成し
た集積化デバイスでは、分極処理そのものが不可能な場
合がある。 (4) 各素子に使用される強誘電物質の薄膜の膜厚は
数ミクロン程であり、基板と膜の熱膨張係数が異なる場
合クラック、剥離を生じる。 そこで、本発明の目的は、これらの欠点を解消した強誘
電物質薄膜をもつ強誘電体を提供する点にある。
[Purpose] The following problem occurs in the method of aligning Ps by applying a high electric field to a ferroelectric material. (1) Dielectric breakdown may occur due to polarization treatment.
Yield decreases. (2) In devices such as high-resolution array devices in which many microelements are arranged at high density, it is difficult to polarize them uniformly. (3) In integrated devices in which a thin film of ferroelectric material is formed on a semiconductor device, polarization itself may not be possible. (4) The thickness of the thin film of ferroelectric material used in each element is about several microns, and if the thermal expansion coefficients of the substrate and film are different, cracks and peeling occur. SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a ferroelectric material having a thin film of ferroelectric material that eliminates these drawbacks.

【0004】0004

【構成】本発明の第1は、Sol−Gel法により形成
され表面に周期的な凹凸を有する基板とその基板上に形
成された強誘電物質の結晶配向膜よりなることを特徴と
する強誘電体に関する。本発明の第2は、前記基板が熱
膨張係数を変化させるドーパント原子を含んでいる前記
強誘電体に関する。本発明の第3は、前記強誘電物質の
結晶配向膜の配向率が50%以上である前記強誘電体に
関する。本発明の第4は、前記基板と強誘電物質の結晶
配向膜との間に電極層を有する前記強誘電体に関する。
[Structure] The first aspect of the present invention is a ferroelectric device comprising a substrate formed by the Sol-Gel method and having periodic irregularities on the surface, and a crystal oriented film of a ferroelectric substance formed on the substrate. Regarding the body. A second aspect of the present invention relates to the ferroelectric material, wherein the substrate contains dopant atoms that change the coefficient of thermal expansion. A third aspect of the present invention relates to the ferroelectric material, wherein the crystal orientation film of the ferroelectric material has an orientation rate of 50% or more. A fourth aspect of the present invention relates to the ferroelectric material having an electrode layer between the substrate and the crystal orientation film of the ferroelectric material.

【0005】強誘電体薄膜は基板の凹凸に沿って原子が
配列するため、より単結晶に近い良質の膜質、結晶性、
配向性を得るためには、凹凸のサイズを原子レベルに近
づけ、L1、L2を極力小さくすることが望ましい。こ
れらのサイズの変動は上層の強誘電体薄膜の膜質に大き
く影響するため、基板全面にわたって極めて均一な凹凸
を形成しなくてはならない。この要求を解決するために
本発明ではSol−Gel法により基板を形成する。基
板をSol−Gel法で作製するメリットは以下に述べ
る事柄である。本発明者等は、別途「Crスパッタデポ
、フォトリソグラフィ、エッチング、所望するCrパタ
ーンを形成した後、そのCrパターンをマスクとしてR
IE(リアクティブイオンエッチング)を行い、基板に
凹凸を形成しCrを除去する工程を有する凹凸基板と強
誘電体配向膜の積層体からなる強誘電体」に関する発明
を提案しているが、この方法はプロセスが繁雑であるの
に対し、本発明による手法は、きわめて簡便である。グ
ラフィオエピタキシーの効果は表面凹凸がサブミクロン
であることが好ましく、基板面積が大面積化すると、フ
ォトリソグラフィ・エッチング技術では均一に加工でき
るか否か再現性も含めて懸念される。しかし、Sol−
Gel法では焼成後、初期パターンピッチに対して、5
0%の縮小が生じるため、スタンパーデザイン(現行1
μm)の半分0.5μmのパターンがゆうに形成できる
。 さらに、基板(ガラス)に線膨張係数をコントロールさ
せるためのドーピングも可能になる点が優れている。基
板形成材料としては、石英、スピネル、金属酸化物等が
使用できる。図1は、Sol−Gel法により作成した
強誘電体の断面図である。通常、本発明の基板上に形成
する凹凸はミクロンオーダーのものである。図1中のL
1、L2はともに0.1μmから1μm程度であり、凹
凸の深さdは0.01μmから2μm程度である。
Since the atoms of ferroelectric thin films are arranged along the irregularities of the substrate, they have good film quality, crystallinity, and
In order to obtain orientation, it is desirable to bring the size of the unevenness close to the atomic level and to make L1 and L2 as small as possible. Since variations in these sizes greatly affect the quality of the upper ferroelectric thin film, it is necessary to form extremely uniform irregularities over the entire surface of the substrate. In order to solve this requirement, in the present invention, a substrate is formed by the Sol-Gel method. The advantages of producing a substrate using the Sol-Gel method are as described below. The present inventors separately conducted ``Cr sputter deposition, photolithography, etching, and after forming a desired Cr pattern, R using the Cr pattern as a mask.
The authors proposed an invention related to a ferroelectric material consisting of a laminate of a ferroelectric alignment film and a textured substrate, which includes a step of performing IE (reactive ion etching) to form depressions and depressions on the substrate and removing Cr. While the method requires a complicated process, the method according to the present invention is extremely simple. For the effect of graphioepitaxy, it is preferable that the surface unevenness be submicron, and as the substrate area increases, there are concerns about whether photolithography and etching techniques can process uniformly or not, including reproducibility. However, Sol-
In the Gel method, after firing, the initial pattern pitch is 5
Since 0% reduction occurs, the stamper design (currently 1
A pattern of 0.5 μm can be easily formed. Another advantage is that it allows doping of the substrate (glass) to control the coefficient of linear expansion. As the substrate forming material, quartz, spinel, metal oxide, etc. can be used. FIG. 1 is a cross-sectional view of a ferroelectric material produced by the Sol-Gel method. Usually, the irregularities formed on the substrate of the present invention are on the order of microns. L in Figure 1
1 and L2 are both about 0.1 μm to 1 μm, and the depth d of the unevenness is about 0.01 μm to 2 μm.

【0006】Sol−Gel法による基板の作製法につ
いては実施例や強誘電体薄膜の製法についての部分を参
考にすることができる。後述するようなSol−Gel
法により基板を作製し、得られた基板とその上層に形成
される強誘電物質薄膜との熱膨張係数をほゞ等しくし、
膜剥離などのデメリットを回避するためには、基板にド
ーパントを含有させることにより熱膨張係数を調節する
ことが好ましい。そのため、チタン、ボロン、リチウム
、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、
アルミニウム等の原子をドーパントとして添加すること
が好ましい。例えば、チタン原子を添加する場合は、チ
タン原子は基板がガラスの場合には酸化チタンとして存
在すればよいので、酸化チタンを供給させるために、ケ
イ酸エチルエステル中にチタンイソプロポキシドを加え
、その後加水分解をさせ、熟成、アニールを行い、ガラ
ス体とする。この時の酸化チタン濃度に対する熱膨張係
数の変化を図4に示す。縦軸は熱膨張係数(d×1/1
07℃)、横軸はTiO2含有量(wt%)である。
[0006] Regarding the method of manufacturing a substrate by the Sol-Gel method, reference can be made to the examples and the section regarding the method of manufacturing a ferroelectric thin film. Sol-Gel as described below
A substrate is prepared by the method, and the thermal expansion coefficients of the obtained substrate and the ferroelectric thin film formed on the substrate are made approximately equal,
In order to avoid disadvantages such as film peeling, it is preferable to adjust the coefficient of thermal expansion by incorporating a dopant into the substrate. Therefore, titanium, boron, lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium,
It is preferable to add atoms such as aluminum as a dopant. For example, when adding titanium atoms, titanium atoms need only exist as titanium oxide when the substrate is glass, so in order to supply titanium oxide, titanium isopropoxide is added to ethyl silicate. Thereafter, it is hydrolyzed, aged, and annealed to form a glass body. FIG. 4 shows the change in thermal expansion coefficient with respect to the titanium oxide concentration at this time. The vertical axis is the coefficient of thermal expansion (d×1/1
07°C), and the horizontal axis is the TiO2 content (wt%).

【0007】つぎにSol−Gel法による強誘電体薄
膜の作製方法について説明する。このSol−Gel法
は金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水
分解、重縮合させて金属−酸素−金属結合を成長させ、
最終的に焼結することにより完成させる無機酸化物の作
製方法である。Sol−Gel法の特徴は低基板温度で
均一大面積な膜が得られることである。さらに溶液から
製膜するため基板との密着性に優れる。具体的には基板
上に金属有機化合物を含む溶液を塗布し、無機酸化物前
駆体からなる膜を積層したあと焼結を行う。この時接着
面の両面、すなわち基板側と厚膜側とに塗布しても良い
。用いられる金属有機化合物としては、無機酸化物を構
成する金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、
ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化合物等があ
げられる。硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸塩等の無機金
属塩でも良い。これら金属塩を原料として使用する場合
、アルコール、多価アルコール類、カルビノール類等の
極性有機溶媒に溶解させ、その反応中間体として、金属
−酸素結合を有するように制御して使う必要がある。ま
た、アルカリ金属、アルカリ土類金属を含む強誘電体に
は、それら金属をアルコール類に溶解したアルコラート
を使用することもできる。これら化合物から無機酸化物
を作製するには加水分解および重縮合反応を進める必要
があるため塗布溶液中には水の添加が必要となる。添加
量は系により異なるが多すぎると反応が速く進むため得
られる膜質が不均一となり易く、また反応速度の制御が
難しい。水の添加量が少なすぎても反応のコントロール
が難しく、適量がある。一般的には加水分解される結合
数に対して等量モルから5倍等量モルが好ましい。さら
に、加水分解触媒を添加すると反応速度及び反応形態の
制御ができる。触媒としては一般の酸および塩基が用い
られる。酸触媒は線状重合体を作りやすく、塩基性触媒
は三次元重合体を作りやすいといわれているが、溶液全
体の濃度やpHとの兼ね合いで一概にはいえない。本発
明の場合、両者の中間的構造が望ましい。添加用溶媒と
しては、上記材料が沈殿しないもの、すなわち溶解性に
優れたものが望ましい。溶液濃度は塗布方法にもよるが
、スピンコート法の場合溶液粘度が数cP〜十数cPと
なるように調整すると良い。さらにキレート剤等を添加
しても良い。得られた前駆体膜は焼結することにより完
成する。焼結温度は材料により異なるが、通常の金属酸
化物粉末の焼成にかかる温度より低温で作製できる。基
板材料によっては高温で反応または組成変化、構造変化
するものが多いため、低温で成膜可能な本方法を用いる
ことにより基板の使用可能性がひろがる。 基板としては、板状あるいはフィルム状のいずれでもよ
く、その材質は、(イ)絶縁基板、(ロ)半導体基板、
(ハ)導伝性基板のいずれのものでもよい。(イ)の例
としては、SiO2,Al2O3,MgO,SrTiO
3等があり、(ロ)の例としては、Si,GaAs,I
nP,ITO/ガラス等があり、(ハ)の例としては、
Pt,ステンレス(SUS)等がある。従来、基板の種
類によってC軸配向、a軸配向、ランダムになる報告が
あった。その報告では統一された見解はなく、今後の研
究で明確化されていくものであると考える。ところが本
発明においては、極言してしまえば、どのような基板を
使用しても、表面に凹凸をデサインしてしまえばC軸に
配向してしまうところに有要性がある。従って、基板種
と膜質には関係がない。ただし、Sol−Gel膜が数
百度という温度でペロブスカイト系の結晶化を行うが、
この熱により基板界面で反応が進行すると好ましくなく
、バリヤ層としてPt(白金)を使用し、またこの金属
を下部電極とすることもある。
Next, a method for producing a ferroelectric thin film using the Sol-Gel method will be explained. This Sol-Gel method grows metal-oxygen-metal bonds by hydrolyzing and polycondensing metal organic compounds such as metal alkoxides in a solution system.
This is a method for producing an inorganic oxide that is completed by final sintering. A feature of the Sol-Gel method is that a uniform large-area film can be obtained at a low substrate temperature. Furthermore, since the film is formed from a solution, it has excellent adhesion to the substrate. Specifically, a solution containing a metal organic compound is applied onto a substrate, a film made of an inorganic oxide precursor is laminated, and then sintering is performed. At this time, it may be applied to both sides of the adhesive surface, that is, the substrate side and the thick film side. The metal-organic compounds used include methoxide, ethoxide, propoxide of metals constituting the inorganic oxide,
Examples include alkoxides such as butoxide and acetate compounds. Inorganic metal salts such as nitrates, oxalates, and perchlorates may also be used. When using these metal salts as raw materials, it is necessary to dissolve them in polar organic solvents such as alcohols, polyhydric alcohols, and carbinols, and use them as reaction intermediates in a controlled manner so that they have metal-oxygen bonds. . Furthermore, for ferroelectric materials containing alkali metals and alkaline earth metals, alcoholates obtained by dissolving these metals in alcohols can also be used. In order to produce inorganic oxides from these compounds, it is necessary to proceed with hydrolysis and polycondensation reactions, so it is necessary to add water to the coating solution. The amount added varies depending on the system, but if it is too large, the reaction proceeds quickly, resulting in a non-uniform film quality, and it is difficult to control the reaction rate. Even if the amount of water added is too small, it is difficult to control the reaction, so there is an appropriate amount. Generally, it is preferred to use an equivalent mole to 5 times the equivalent mole relative to the number of bonds to be hydrolyzed. Furthermore, addition of a hydrolysis catalyst allows control of reaction rate and reaction form. Common acids and bases are used as catalysts. It is said that acidic catalysts facilitate the production of linear polymers, and basic catalysts facilitate the production of three-dimensional polymers, but this cannot be said unconditionally, depending on the overall concentration and pH of the solution. In the case of the present invention, a structure intermediate between the two is desirable. As the solvent for addition, it is desirable that the above-mentioned material does not precipitate, that is, one that has excellent solubility. Although the solution concentration depends on the coating method, in the case of a spin coating method, it is preferably adjusted so that the solution viscosity is from several cP to more than ten cP. Furthermore, a chelating agent or the like may be added. The obtained precursor film is completed by sintering. Although the sintering temperature varies depending on the material, it can be produced at a temperature lower than that required for firing ordinary metal oxide powder. Since many substrate materials react or undergo compositional or structural changes at high temperatures, the use of this method, which allows film formation at low temperatures, expands the possibilities for use of the substrate. The substrate may be in the form of a plate or a film, and its materials include (a) an insulating substrate, (b) a semiconductor substrate,
(c) Any conductive substrate may be used. Examples of (a) are SiO2, Al2O3, MgO, SrTiO
Examples of (b) include Si, GaAs, I
Examples of (c) include nP, ITO/glass, etc.
There are Pt, stainless steel (SUS), etc. Conventionally, there have been reports that C-axis orientation, a-axis orientation, and random orientation occur depending on the type of substrate. There is no unified opinion in that report, and I believe that this will be clarified in future research. However, in the present invention, to put it simply, it is important that no matter what kind of substrate is used, once the unevenness is designed on the surface, the orientation will be along the C axis. Therefore, there is no relationship between substrate type and film quality. However, although the Sol-Gel film crystallizes perovskite at a temperature of several hundred degrees,
It is undesirable if a reaction progresses at the substrate interface due to this heat, so Pt (platinum) is used as the barrier layer, and this metal is sometimes used as the lower electrode.

【0008】強誘電体材料の例として、PLZTを用い
た場合について述べる。PLZTは化学組成が下記一般
As an example of a ferroelectric material, a case where PLZT is used will be described. The chemical composition of PLZT is the following general formula:

【化1】 で示されるセラミックス複合酸化物であり、金属有機化
合物の混合、加水分解、重縮合のプロセスを経たのち焼
結によりえられる。すなわちPLZTの場合、酢酸鉛、
酢酸ランタン、ジルコニウムアルコキシド、及びチタン
アルコキシドを有機溶媒に溶かすことにより、セラミッ
クス複合酸化物前駆体を調製する。鉛金属元素を与える
方法として、鉛の硝酸塩をエチレングリコールに溶解さ
せる方法などでとることができる。ランタン、ジルコニ
ウム、チタンの場合も同様にすることができる。ここで
重要なことは、金属原子が酸素原子と化学結合をしてい
る有機化合物(この様な結合を有する有機物を、金属有
機化合物と称する。)が溶媒に均一に溶けていることで
あり、また出発物質が金属有機化合物ではなくても、反
応中間体として金属−酸素結合が与えられればよい。強
誘電体の一例としてPLZTを示したが、この他の類似
物質(特性が)は結晶構造がペロブスカイト系に属する
ものであり、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物で
あればなんでも良く、特に限定しない。この結晶系には
KNbO3,LiNbO3,BaTiO3,SrTiO
3,PbTiO3,Pb(Zr,Ti)O3等がある。 また、同様の特性を有するほかの結晶系にはタングステ
ンブロンズタイプがあり、これらはすべて複合酸化物と
いう名称に属していると考える。ついで、このようにし
て得られた前駆体を焼成することにより目的とするPL
ZTの結合配向膜をうることができる。
It is a ceramic composite oxide represented by the following formula, and is obtained by sintering after going through the processes of mixing metal organic compounds, hydrolysis, and polycondensation. In other words, in the case of PLZT, lead acetate,
A ceramic composite oxide precursor is prepared by dissolving lanthanum acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide in an organic solvent. The lead metal element can be provided by dissolving lead nitrate in ethylene glycol. The same can be done for lanthanum, zirconium, and titanium. What is important here is that the organic compound in which a metal atom has a chemical bond with an oxygen atom (organic substances with such a bond are called a metal-organic compound) is uniformly dissolved in the solvent. Further, even if the starting material is not a metal organic compound, it is sufficient if a metal-oxygen bond is provided as a reaction intermediate. Although PLZT is shown as an example of a ferroelectric material, other similar materials (characteristics) have a crystal structure belonging to the perovskite system, and any complex oxide having a perovskite structure may be used, and there are no particular limitations. This crystal system includes KNbO3, LiNbO3, BaTiO3, SrTiO
3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, etc. In addition, there is a tungsten bronze type crystal system that has similar characteristics, and all of these are considered to belong to the name composite oxide. Then, the target PL is produced by firing the precursor thus obtained.
A bonded alignment film of ZT can be obtained.

【0009】[0009]

【実施例】実施例1 ケイ酸エチルエステルに酸性下で水を加えて加水分解し
、さらに粒径1μmほどのシリカ粉末を添加する。この
後適当な容器に液体原料を流し込むと、やわらかなSo
lが、時間と共にGel化してくるので、この時転写し
たい所望の凹凸パターンを有するスタンパーを押しつけ
、パターンをSol−Gel転位中の液体に転写する。 その後スタンパーから外し、60℃空気中で7日間乾燥
する。次に亀裂が生じないように、室温から徐々に加熱
して約1200℃まで昇温し2時間焼成する。この時3
次元的に収縮が生じスタンパーのパターンから50%収
縮した溶融石英基板1が得られる。得られたパターンは
スタンパー寸法の1/2のものである。これは、スタン
パーの形成にフォトリソグラフィ、エッチング技術を使
用した場合、その技術でえられる最小パターンのさらに
半分のものが得られることを意味している。このように
して下地基板を作製したのち、その上にSol−Gel
法により強誘電体薄膜2を形成する。酢酸鉛、酢酸ラン
タンをメトキシエタノールに溶解させ、その溶液中にジ
ルコニウムノルマルプロポキシド、チタンイソプロポキ
シドを加え、5時間以上熟成させた後、部分加水分解を
させるために少量の水を加え、これを塗布液とした。こ
の塗布液を前述のミクロンオーダーの凹凸が設けられて
いる溶融石英基板上に塗布し、160℃5分以上のプリ
ベーク、400℃30分以上のシンターリング、さらに
500℃以上1200℃以下のアニールを60分以上行
いPLZTセラミックス薄膜が得られる。この方法でえ
られるPLZTは膜厚が500Å以上であり、塗布から
アニールまでの工程を繰り返すことで数百ミクロンの膜
が基板上にえられる。 図3にこの方法により作製された代表的な薄膜(膜厚1
μm)のX線回折パターンを示す。ペロブスカイト構造
の(001)と(100)反射、及びその高次の反射の
み観察される。また(001)反射の強度が(100)
のそれと比べて著しく大きいのでc軸配向膜であること
が判る。c軸配向率αを次の式で定義する。
Examples Example 1 Ethyl silicate is hydrolyzed by adding water under acidic conditions, and silica powder having a particle size of about 1 μm is added. After this, pour the liquid raw material into a suitable container and it will become soft So.
Since l becomes gel with time, a stamper having a desired uneven pattern to be transferred is pressed at this time, and the pattern is transferred to the liquid undergoing Sol-Gel transition. Thereafter, it was removed from the stamper and dried in air at 60°C for 7 days. Next, to prevent cracks from forming, the material is gradually heated from room temperature to approximately 1200.degree. C. and fired for 2 hours. At this time 3
Dimensional shrinkage occurs and a fused silica substrate 1 is obtained which has shrunk by 50% from the stamper pattern. The pattern obtained is 1/2 the size of the stamper. This means that when photolithography and etching techniques are used to form a stamper, half of the minimum pattern that can be obtained using those techniques can be obtained. After producing the base substrate in this way, Sol-Gel is applied on it.
A ferroelectric thin film 2 is formed by a method. Lead acetate and lanthanum acetate are dissolved in methoxyethanol, zirconium normal propoxide and titanium isopropoxide are added to the solution, and after aging for more than 5 hours, a small amount of water is added to cause partial hydrolysis. was used as the coating liquid. This coating solution is applied onto the fused quartz substrate having micron-order unevenness as described above, prebaked at 160°C for 5 minutes or more, sintered at 400°C for 30 minutes or more, and then annealed at 500°C or more and 1200°C or less. After 60 minutes or more, a PLZT ceramic thin film is obtained. The PLZT obtained by this method has a film thickness of 500 Å or more, and by repeating the steps from coating to annealing, a film of several hundred microns can be obtained on the substrate. Figure 3 shows a typical thin film (thickness: 1
(μm) X-ray diffraction pattern is shown. Only the (001) and (100) reflections of the perovskite structure and their higher-order reflections are observed. Also, the intensity of (001) reflection is (100)
Since it is significantly larger than that of , it can be seen that it is a c-axis oriented film. The c-axis orientation rate α is defined by the following equation.

【数1】α=I(001)/{I(001)+I(10
0)}ここでI(001)、及びI(100)はそれぞ
れ(001)と(100)反射の回折強度を表す。本発
明による下地基板加工のサンプルでは、下地基板加工を
行わない場合と比較すると、下地基板加工を行わない場
合はアニール条件により多少異なるがほとんど配向を示
さないのに対し、本実施例の下地基板加工のサンプルで
は、上記定義による配向率が78%以上のものが得られ
た。
[Math. 1] α=I(001)/{I(001)+I(10
0)} Here, I(001) and I(100) represent the diffraction intensities of (001) and (100) reflections, respectively. In the sample of the base substrate processed according to the present invention, when compared with the case where the base substrate is not processed, the case where the base substrate is not processed shows almost no orientation although it varies somewhat depending on the annealing conditions, whereas the base substrate of this embodiment shows almost no orientation. In the processed sample, an orientation ratio as defined above of 78% or more was obtained.

【0010】実施例2 実施例1で述べたように石英基板1を作製した後下部電
極3として膜厚0.3μmのPt薄膜をスパッタリング
法により形成した。スパッタガスはAr、もしくはAr
+O2混合ガスである。この下地電極は、白金以外の金
属、又は酸化物導電体(ZnO:Al)でもよく、要は
Sol−Gelプロセス温度に対して、十分耐熱性が有
る導電体ならよい。このように少なくとも1層以上の下
部電極上にSol−Gel法でPLZTよりなる強誘電
物質の薄膜2を形成した。同様に配向率αを測定したと
ころ、76%の値が得られた。つぎに図2に示すように
上部電極4を形成して、焦電係数の測定を行った。焦電
係数は自発分極Psの配向に比例して大きくなる。上記
強誘電体の焦電係数γは1.7×1/108C/cm2
Kとなり、この値は溶融石英基板で作成した従来のサン
プルで、200℃、100KV/cm、10分の分極処
理を行ったもの(γ=1.6×1/108C/cm2K
)とほぼ同等の値がえられた。
Example 2 After producing the quartz substrate 1 as described in Example 1, a Pt thin film having a thickness of 0.3 μm was formed as the lower electrode 3 by sputtering. Sputtering gas is Ar or Ar
+O2 mixed gas. This base electrode may be made of a metal other than platinum or an oxide conductor (ZnO:Al), as long as it is sufficiently heat resistant to the Sol-Gel process temperature. In this manner, a thin film 2 of ferroelectric material made of PLZT was formed on at least one layer of the lower electrode by the Sol-Gel method. When the orientation ratio α was similarly measured, a value of 76% was obtained. Next, the upper electrode 4 was formed as shown in FIG. 2, and the pyroelectric coefficient was measured. The pyroelectric coefficient increases in proportion to the orientation of the spontaneous polarization Ps. The pyroelectric coefficient γ of the above ferroelectric is 1.7×1/108C/cm2
This value is for a conventional sample made with a fused silica substrate and subjected to polarization treatment at 200℃, 100KV/cm, and 10 minutes (γ=1.6×1/108C/cm2K
) was obtained.

【0011】実施例3 ケイ酸エチルエステルチタンイソプロポキシドを酸性下
で水を加えて加水分解する以外は実施例1と同様にして
下地基板を作成した。ついで、実施例1と同様にしてそ
の上に強誘電物質薄膜を形成した。この薄膜のX線回折
パターン、配向率はいずれも実施例1のものと同一であ
った。
Example 3 A base substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicate ethyl ester titanium isopropoxide was hydrolyzed by adding water under acidic conditions. Then, in the same manner as in Example 1, a ferroelectric thin film was formed thereon. The X-ray diffraction pattern and orientation rate of this thin film were both the same as those of Example 1.

【0012】実施例4 実施例3で述べた石英基板の作製後下部電極として膜厚
0.3μmのPt薄膜をスパッタリング法により形成し
た。 スパッタガスはAr、もしくはAr+O2混合ガスであ
る。この下部電極上に実施例1と同様のSol−Gel
法でPLZTを形成し、同様に配向率αを測定したとこ
ろ、76%の値が得られた。つぎに図4に示すように上
部電極を形成して、焦電係数の測定を行った。焦電係数
γは1.7×1/108C/cm2Kとなり、この値は
溶融石英基板で作成した従来のサンプルで、200℃、
100KV/cm、10分の分極処理を行ったもの(γ
=1.6×1/108C/cm2K)とほぼ同等の値が
えられた。
Example 4 After producing the quartz substrate described in Example 3, a Pt thin film having a thickness of 0.3 μm was formed as a lower electrode by sputtering. The sputtering gas is Ar or a mixed gas of Ar+O2. On this lower electrode, Sol-Gel similar to Example 1 was applied.
When PLZT was formed by the method and the orientation ratio α was measured in the same manner, a value of 76% was obtained. Next, an upper electrode was formed as shown in FIG. 4, and the pyroelectric coefficient was measured. The pyroelectric coefficient γ is 1.7 × 1/108C/cm2K, and this value is the same for a conventional sample made with a fused silica substrate at 200°C.
Polarized at 100KV/cm for 10 minutes (γ
= 1.6 x 1/108C/cm2K) was obtained.

【0013】[0013]

【効果】(1) 基板の凹凸に沿って原子が配列するた
め、その上に形成される強誘電物質の薄膜はより単結晶
に近い良質の膜質、結晶性、配向性を得ることができる
。 (2) 強誘電物質の薄膜をSol−Gel法で形成す
れば、何等分極処理を行う必要がなく、自然に分極して
その結晶配向率は50%以上になるから、高性能の強誘
電体が歩留まり良く得ることができる。 (3) 基板と強誘電物質薄膜との熱膨張率を同じレベ
ルに調節するとクラックや剥離を生ずることが無い。
[Effects] (1) Since the atoms are arranged along the irregularities of the substrate, the thin film of ferroelectric material formed thereon can have high quality film quality, crystallinity, and orientation closer to those of a single crystal. (2) If a thin film of ferroelectric material is formed by the Sol-Gel method, there is no need to perform any polarization treatment, and it will be polarized naturally and its crystal orientation will be over 50%, making it a high-performance ferroelectric material. can be obtained with good yield. (3) If the thermal expansion coefficients of the substrate and the ferroelectric thin film are adjusted to the same level, cracks and peeling will not occur.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明実施例1の強誘電体の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a ferroelectric material according to Example 1 of the present invention.

【図2】本発明実施例2の強誘電体の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a ferroelectric material according to Example 2 of the present invention.

【図3】実施例1で得られた強誘電物質薄膜PbZrx
TiyO3(x=0.2,y=0.8)のX線回折パタ
ーンを示す。縦軸は強度、横軸は2θ(°)を示す。
FIG. 3: Ferroelectric thin film PbZrx obtained in Example 1
The X-ray diffraction pattern of TiyO3 (x=0.2, y=0.8) is shown. The vertical axis shows intensity, and the horizontal axis shows 2θ (°).

【図4】TiO2含有量が溶融石英基板の熱膨張係数に
与える影響を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the influence of TiO2 content on the thermal expansion coefficient of a fused silica substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  基板 2  強誘電物質の結晶配向膜(薄膜)3  下部電極 4  上部電極 1 Board 2 Crystal orientation film (thin film) of ferroelectric material 3 Lower electrode 4 Upper electrode

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  Sol−Gel法により形成され表面
に周期的な凹凸を有する基板とその基板上に形成された
強誘電物質の結晶配向膜よりなることを特徴とする強誘
電体。
1. A ferroelectric material comprising a substrate formed by the Sol-Gel method and having periodic irregularities on its surface, and a crystal oriented film of a ferroelectric material formed on the substrate.
【請求項2】  前記基板が熱膨張係数を変化させるド
ーパント原子を含んでいる請求項1記載の強誘電体。
2. The ferroelectric material of claim 1, wherein the substrate contains dopant atoms that change the coefficient of thermal expansion.
【請求項3】  前記強誘電物質の結晶配向膜の配向率
が50%以上である請求項1または2記載の強誘電体。
3. The ferroelectric material according to claim 1, wherein the crystal orientation film of the ferroelectric material has an orientation ratio of 50% or more.
【請求項4】  前記基板と強誘電物質の結晶配向膜と
の間に電極層を有する請求項1,2または3記載の強誘
電体。
4. The ferroelectric material according to claim 1, further comprising an electrode layer between the substrate and the crystal orientation film of the ferroelectric material.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015207725A (en) * 2014-04-23 2015-11-19 株式会社リコー Precursor sol-gel solution, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and ink-jet recording device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015207725A (en) * 2014-04-23 2015-11-19 株式会社リコー Precursor sol-gel solution, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and ink-jet recording device

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