JPH10270766A - Ferroelectric thin film element, piezoelectric element and manufacture thereof - Google Patents

Ferroelectric thin film element, piezoelectric element and manufacture thereof

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JPH10270766A
JPH10270766A JP9071170A JP7117097A JPH10270766A JP H10270766 A JPH10270766 A JP H10270766A JP 9071170 A JP9071170 A JP 9071170A JP 7117097 A JP7117097 A JP 7117097A JP H10270766 A JPH10270766 A JP H10270766A
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JP
Japan
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substrate
thin film
ferroelectric thin
electrode
titanium
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JP9071170A
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Japanese (ja)
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Hitoshi Nishino
仁 西野
Shiyunsetsu Nakaoka
春雪 中岡
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Osaka Gas Co Ltd
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Osaka Gas Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/55Capacitors with a dielectric comprising a perovskite structure material
    • H01L28/56Capacitors with a dielectric comprising a perovskite structure material the dielectric comprising two or more layers, e.g. comprising buffer layers, seed layers, gradient layers

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate the need for formation of an electrode separate from a substrate by providing a composition oxide thin film containing two or more kinds of metals selected from lead, zircon and titanium, and constituting a substrate of a ferroelectric thin film element, provided with a substrate on one side of front and back thereof, with a kind of zircon and titanium. SOLUTION: A Ti foil 2 is a lower electrode, and a Pt electrode 4 is an upper electrode. In a structure of this element 1, the Ti foil 2 is provided as a structural substrate 2, and a TiO2 layer 5 is provided as a buffer layer on the substrate 2, and a PZT thin films 4 is provided on the upper side the buffer layer 5. This material is provided with a perovskite structure as what is called a crystal structure, showing ferroelectricity. In addition, an upper electrode layer is provided as a Pt thin film electrode 4. Because a kind of lead, zircon and titanium is employed as a substrate, the substrate itself can be used as at least one electrode, thereby formation of an electrode separate from a substrate is necessary.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、所謂PZT(ジル
コン酸チタン酸鉛)を代表例とする、鉛、ジルコン、チ
タンから選択された2種以上の金属を含む複合酸化物薄
膜を備え、前記複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側
に基板を備えた強誘電体薄膜素子、又はこのような素子
の製造方法に関する。
The present invention relates to a composite oxide thin film including two or more metals selected from the group consisting of lead, zircon and titanium, typified by so-called PZT (lead zirconate titanate). The present invention relates to a ferroelectric thin film device having a substrate on either side of the front and back surfaces of a composite oxide thin film, or a method for manufacturing such a device.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体とは、電場がなくても、物質自
身の中に平行または反平行に並んだ永久双極子によって
生じる自発分極が存在し、これが外部電場により向きを
反転できるような性質を有する物質のことである。この
性質を利用して、強誘電体材料は、焦電型赤外線検出素
子、圧電素子、電気光学効果を利用した光変調器、不揮
発性メモリー素子などの様々な電子部品に応用できる。
代表的な強誘電体の材料としては、ペロブスカイト結晶
構造の酸化物、例えば、PbZrTi 1-X 3(PZ
T)、Pb1-XLaXTi1-X/43(PLT)、PbTi
3等が特に有名である。このような薄膜タイプの製造
にあっては、従来、Si基板上やサファイア基板上に強
誘電体薄膜を形成する。このような基板は、導電性を有
せず、剛直なものであった。
2. Description of the Related Art A ferroelectric substance has a spontaneous polarization generated by parallel or antiparallel permanent dipoles in a substance itself even in the absence of an electric field, which can be reversed in direction by an external electric field. It is a substance having properties. Utilizing this property, the ferroelectric material can be applied to various electronic components such as a pyroelectric infrared detecting element, a piezoelectric element, an optical modulator utilizing an electro-optical effect, and a nonvolatile memory element.
A typical ferroelectric material is an oxide having a perovskite crystal structure, for example, PbZrTi 1-x O 3 (PZ
T), Pb 1-X La X Ti 1-X / 4 O 3 (PLT), PbTi
O 3 and the like are particularly famous. In the manufacture of such a thin film type, a ferroelectric thin film is conventionally formed on a Si substrate or a sapphire substrate. Such a substrate had no conductivity and was rigid.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】強誘電体薄膜から電気
的出力を得る場合、強誘電体薄膜を挟む状態で、例えば
白金等の電極用薄膜を備えて素子を構成する必要があっ
た。Siを基板とし、このSi基板にPZT薄膜を形成
して、このPZT薄膜から出力を得る場合の素子構造
(従来構造)を図5に示した。この素子50は、Si基
板51の表面側にTi層52、Pt層53、TiOx層
54を順次形成した後、このTiOx層54の表面側に
PZT層55を形成し、さらにその表面側にPt層56
を備える。ここで、Ti層52、Pt層53、TiOx
層54を必要とする理由は、電極としてPt層53を設
ける場合に、Si基板51及びPZT層55に対するP
t層53の関係を、なじみ、熱膨張率等の観点から良好
なものとするためである。このようにSiを基板材料と
する場合は、これが非導電性のために新たな電極(上記
構造に於けるPt層)を必要とするものとなり、製作に
手間が掛かり、製造コストも増加する。さらに、Si材
料は剛直であるため、例えば、強誘電体薄膜素子を、圧
電素子として使用したい場合に、その素子の使用が平面
上に限られ、曲面上では使用しにくいという問題があ
る。即ち、従来、PZT薄膜を備えた素子の開発が進め
られてきたが、このような素子にあっては、基板が剛の
ものであったため、可撓性を有する強誘電体薄膜素子
は、実質上、得られない。本発明の目的は、基板とは別
個に電極を設ける必要がなく、製造工程を簡略化してコ
ストを低減できる強誘電体薄膜素子を得るとともに、曲
面を有する振動検出対象に対しても、好適に適応できる
可撓性を有する強誘電体薄膜素子を得ることにある。
In order to obtain an electrical output from a ferroelectric thin film, it is necessary to construct an element with an electrode thin film made of, for example, platinum with the ferroelectric thin film interposed therebetween. FIG. 5 shows an element structure (conventional structure) in the case of using Si as a substrate, forming a PZT thin film on the Si substrate, and obtaining output from the PZT thin film. This element 50 is formed by sequentially forming a Ti layer 52, a Pt layer 53, and a TiOx layer 54 on the surface side of a Si substrate 51, forming a PZT layer 55 on the surface side of the TiOx layer 54, and further forming a PtT layer on the surface side. Layer 56
Is provided. Here, Ti layer 52, Pt layer 53, TiOx
The reason for requiring the layer 54 is that when the Pt layer 53 is provided as an electrode, the P
This is because the relationship between the t-layers 53 is made favorable from the viewpoints of conformity, coefficient of thermal expansion, and the like. When Si is used as the substrate material as described above, a new electrode (the Pt layer in the above-described structure) is required because of non-conductivity, and the production is troublesome and the production cost is increased. Furthermore, since the Si material is rigid, for example, when a ferroelectric thin film element is used as a piezoelectric element, the use of the element is limited to a flat surface, and there is a problem that it is difficult to use the ferroelectric thin film element on a curved surface. That is, conventionally, an element having a PZT thin film has been developed, but in such an element, a flexible ferroelectric thin film element has been practically used because the substrate is rigid. Above, not obtained. An object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film element which does not require providing an electrode separately from a substrate, thereby simplifying a manufacturing process and reducing cost, and is also suitable for a vibration detection target having a curved surface. An object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film element having adaptable flexibility.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による、鉛、ジルコン、チタンから選択された
2種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、このよう
な複合酸化物薄膜の表裏面のいずれかの側に基板を備え
た強誘電体薄膜素子を構成するに、基板として、これ
が、鉛、ジルコン、チタンのいずれか1種からなるもの
とするのである。この構成の強誘電体薄膜素子に於ける
強誘電体薄膜の形成にあたっては、その材料に近い組成
の薄膜層を基板上に形成できるため(例えば、基板とし
てTiを採用する場合、この基板表面にTiの酸化
層)、この酸化層の表面側になじみ、熱膨張率等の問題
を解消して、強誘電体薄膜層を形成することができる。
即ち、上記例示の場合は、ペロブスカイト構造を有し、
強誘電体としての特性を有するPZT層を成長させるこ
とができ、この点において、本願のものは、有利であ
る。さらに、この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、
基板(素子支持体)として鉛、ジルコン、チタンのいず
れか1種を採用するため、この基板自体を、少なくと
も、一方の電極として使用することができ、先に説明し
た簡素化を達成できる。
According to the present invention, there is provided a composite oxide thin film including at least two metals selected from the group consisting of lead, zircon, and titanium. In order to construct a ferroelectric thin-film device having a substrate on either side of the front and back surfaces, the substrate is made of any one of lead, zircon, and titanium. In forming a ferroelectric thin film in a ferroelectric thin film element having this configuration, a thin film layer having a composition close to the material can be formed on a substrate (for example, when Ti is used as a substrate, A ferroelectric thin film layer can be formed by solving the problems of the oxide layer of Ti), the thermal expansion coefficient, etc., which are adapted to the surface side of the oxide layer.
That is, in the case of the above example, it has a perovskite structure,
A PZT layer having ferroelectric properties can be grown, in which respect the present application is advantageous. Further, in the ferroelectric thin film element having this configuration,
Since any one of lead, zircon, and titanium is used as the substrate (element support), the substrate itself can be used as at least one electrode, and the simplification described above can be achieved.

【0005】本願に於ける、鉛、ジルコン、チタンから
選択された2種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
え、この複合酸化物薄膜の表裏面、それぞれに電極を備
え、上部電極と下部電極との間で電気的出力を得る強誘
電体薄膜素子の特徴構成は、さきに説明した上部電極と
下部電極のいずれか一方が、鉛、ジルコン、チタンのい
ずれか1種からなる基板(素子支持体)であることにあ
る。この構成の強誘電体薄膜素子にあっては、強誘電体
薄膜の表面及び裏面に電極を備え、これらの電極間に於
ける薄膜の電気的特性の変化を、電極間で捕らえる構造
とされる。そして、本願のように、基板を特定材料から
なる構成とすると、この基板が有する電気伝導性を利用
して、素子出力を得ることができ、別個のPt層電極等
を備える必要もなく、本願の目的に合致した素子を得る
ことができる。
In the present application, a composite oxide thin film containing at least two metals selected from the group consisting of lead, zircon and titanium is provided, and an electrode is provided on each of the front and back surfaces of the composite oxide thin film. The characteristic configuration of the ferroelectric thin-film element that obtains an electrical output between the electrodes is that a substrate (element) in which one of the upper electrode and the lower electrode described above is made of one of lead, zircon, and titanium. Support). The ferroelectric thin film element of this configuration has electrodes on the front and back surfaces of the ferroelectric thin film, and has a structure in which a change in the electrical characteristics of the thin film between these electrodes is captured between the electrodes. . When the substrate is made of a specific material as in the present application, an element output can be obtained by utilizing the electrical conductivity of the substrate, and there is no need to provide a separate Pt layer electrode or the like. Can be obtained.

【0006】ここで、特定金属からなる基板が、可撓性
を有する薄膜(所謂、箔)であることが好ましい。本願
の金属は薄膜として形成でき、それ自体が可撓性を有す
るものを選択できるため、このような可撓性を有するも
のを、所謂、基板として採用すると、可撓性を有し、圧
電素子等として使用する場合にあって、曲面上に良好に
フィットさせて使用できる強誘電体素子を得ることがで
きる。
Here, it is preferable that the substrate made of the specific metal is a flexible thin film (so-called foil). Since the metal of the present invention can be formed as a thin film and a material having flexibility itself can be selected, if such a material having flexibility is adopted as a so-called substrate, it has flexibility and a piezoelectric element. In such a case, it is possible to obtain a ferroelectric element that can be used by being fitted well on a curved surface.

【0007】これまで説明してきたように、基板と強誘
電体薄膜としての複合酸化物薄膜との間に、基板材料の
酸化物層が備えられていることが好ましい。基板と強誘
電体薄膜との間におけるなじみ及び熱膨張率等の適合を
良好におこなうことができるためである。
[0007] As described above, it is preferable that an oxide layer of a substrate material is provided between the substrate and the composite oxide thin film as the ferroelectric thin film. This is because conformity between the substrate and the ferroelectric thin film, such as conformity and coefficient of thermal expansion, can be favorably performed.

【0008】これまで説明してきた複合酸化物がチタン
酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からなること
が好ましい。チタン酸ジルコン酸鉛は強誘電性材料とし
て、高い誘電性能を有するものであり、後にも示すよう
に、是に対して、Tiを基板として使用することによ
り、この基板上に良好にペロブスカイト型の薄膜を形成
できるためである。
It is preferable that the composite oxide described so far is lead zirconate titanate, and the substrate is made of a titanium material. Lead zirconate titanate has high dielectric performance as a ferroelectric material. As will be shown later, by using Ti as a substrate, a perovskite-type This is because a thin film can be formed.

【0009】さて、これまで説明してきた強誘電体薄膜
素子に、ポーリング処理を施すことが好ましい。このポ
ーリング処理により、強誘電体薄膜の分極を促して、良
好な特性の圧電素子を得ることができるからである。
It is preferable that the ferroelectric thin-film element described above is subjected to a poling process. This is because the poling process promotes the polarization of the ferroelectric thin film, so that a piezoelectric element having good characteristics can be obtained.

【0010】これまで説明してきたような基板表面上
に、鉛、ジルコン、チタンから選択された2種以上の金
属を含む複合酸化物薄膜を備える強誘電体薄膜素子を製
造する場合にあっては、基板として、鉛、ジルコン、チ
タンのいずれか1種からなる特定材料基板を使用し、こ
の特定材料基板表面に基板材料の酸化層を形成した後、
強誘電体薄膜である複合酸化物薄膜を形成することがで
きる。
In the case of manufacturing a ferroelectric thin-film element having a composite oxide thin film containing two or more metals selected from lead, zircon and titanium on the substrate surface as described above, As a substrate, a specific material substrate made of any one of lead, zircon and titanium is used, and after forming an oxide layer of a substrate material on the surface of the specific material substrate,
A composite oxide thin film that is a ferroelectric thin film can be formed.

【0011】この方法の場合も、前記特定材料基板が、
可撓性を有する薄膜(所謂、箔)であることが好まし
い。結果として、可撓性を有する強誘電体薄膜素子が得
られるためである。
Also in this method, the specific material substrate is
It is preferably a thin film having flexibility (so-called foil). As a result, a flexible ferroelectric thin film element can be obtained.

【0012】さらに、この方法の場合も、複合酸化物が
チタン酸ジルコン酸鉛であり、基板がチタン材料からな
ることが好ましい。同様に、得られた強誘電体薄膜素子
に、ポーリング処理を施すことが、圧電素子の製造上好
ましい。
Further, also in this method, it is preferable that the composite oxide is lead zirconate titanate and the substrate is made of a titanium material. Similarly, it is preferable to perform a poling process on the obtained ferroelectric thin film element from the viewpoint of manufacturing a piezoelectric element.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本願の強誘電体薄膜素子1の構成
に関して図1を参照しながら説明する。 〔素子の構造〕図1(イ)は、本願の強誘電体薄膜素子
1の全体構成斜視図が、図1(ロ)は、素子1の厚み方
向の断面図が示されている。この素子1は、概括的には
Ti箔2上にPZT薄膜3を形成したものであり、この
Ti箔2と、PZT薄膜3の表面側に設けられるPt電
極4が本願にいう電極として働くこととなる。ここで、
実質上、Ti箔2は下部電極であり、Pt電極4は上部
電極である。さて、この素子1の構成を、さらに具体的
に各材料層との関係から図1(ロ)に基づいて説明する
と、素子1は、構造基板(素子支持体)として、厚み2
0μm程度のTi箔2を備えている。この基板上にバッ
ファ層としてのTiO2層5を備えている。この層厚
は、0.09μm程度である。次に、このバッファ層の
上部側にPZT薄膜層3が備えられている。この層厚
は、2μm程度である。この材料は、所謂、結晶構造と
してペロブスカイト構造を備えており、強誘電性を示
す。さらに、先に述べたように、上部電極層がPt薄膜
電極4として備えられている。この層厚は、0.24μ
m程度である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of a ferroelectric thin film element 1 of the present invention will be described with reference to FIG. [Structure of Element] FIG. 1 (a) is a perspective view of the entire structure of the ferroelectric thin film element 1 of the present application, and FIG. 1 (b) is a sectional view of the element 1 in the thickness direction. The element 1 is generally formed by forming a PZT thin film 3 on a Ti foil 2, and the Ti foil 2 and a Pt electrode 4 provided on the surface side of the PZT thin film 3 function as an electrode referred to in the present application. Becomes here,
In effect, the Ti foil 2 is a lower electrode, and the Pt electrode 4 is an upper electrode. Now, the structure of the element 1 will be described in more detail with reference to FIG. 1 (b) in relation to each material layer. The element 1 has a thickness of 2 as a structural substrate (element support).
A Ti foil 2 of about 0 μm is provided. On this substrate, a TiO 2 layer 5 is provided as a buffer layer. This layer thickness is about 0.09 μm. Next, a PZT thin film layer 3 is provided on the upper side of the buffer layer. This layer thickness is about 2 μm. This material has a so-called perovskite structure as a crystal structure, and exhibits ferroelectricity. Further, as described above, the upper electrode layer is provided as the Pt thin-film electrode 4. This layer thickness is 0.24μ
m.

【0014】〔素子の製造〕素子1の製造にあたって
は、次のような手順を採用する。 1) 50mm×20mm×20μm(t)のTi箔2
を沸騰アセトンで15分、さらに沸騰i−プロパノール
で15分洗浄後、12時間100℃で乾燥する。この洗
浄済Ti箔が本願素子の構造基板となる。素子の形成に
あたっては、直径10mm程度にして使用する。薄膜形
成にあたっては、所謂、MOCVD法(プラズマ装置を
備えない単純なMOCVD装置による)を採用する。M
OCVDをおこなう場合の設定は、以下のとおりとし
た。 イ) 反応室内圧力300Pa、基板温度は450℃ ロ) 原料ガスは、Pb(C11192)2、Zr(t−
OC49)4、Ti(i−OC37)4とし、それぞれのシ
リンダ温度は、記載順に135℃、35℃、46℃に設
定した。 ハ) キャリアガスならびにディリューエントガスは窒
素とした。
[Production of Element] In the production of the element 1, the following procedure is adopted. 1) 50 mm × 20 mm × 20 μm (t) Ti foil 2
Is washed with boiling acetone for 15 minutes and further with boiling i-propanol for 15 minutes, and then dried at 100 ° C. for 12 hours. This cleaned Ti foil becomes the structural substrate of the device of the present invention. In forming the element, the element is used with a diameter of about 10 mm. In forming the thin film, a so-called MOCVD method (using a simple MOCVD apparatus without a plasma apparatus) is employed. M
The settings for performing OCVD were as follows. B) The reaction chamber pressure is 300 Pa and the substrate temperature is 450 ° C. b) The source gases are Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 and Zr (t−
OC 4 H 9 ) 4 and Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 , and the respective cylinder temperatures were set at 135 ° C., 35 ° C., and 46 ° C. in the order described. C) Carrier gas and diluent gas were nitrogen.

【0015】成膜手順は以下の様にした。 1) Ti(i−OC37)4由来のTiのみを、基板を
設置した反応室(図外)内に、最初にキャリアガス5C
CM、ディリューエントガス55ccmで2分流した。
この処理により、Ti箔表面にTiO2層を形成した。 2) 次に、引き続いて、先に述べた全原料から、P
b、Zr、Tiを同時に下記の条件で供給した。
The film forming procedure was as follows. 1) Only Ti derived from Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 was first introduced into a reaction chamber (not shown) in which a substrate was set, by a carrier gas 5C.
CM and a diluent gas of 55 ccm flowed for 2 minutes.
By this treatment, a TiO 2 layer was formed on the surface of the Ti foil. 2) Next, from all the raw materials mentioned above, P
b, Zr, and Ti were simultaneously supplied under the following conditions.

【0016】[0016]

【表1】 物質名 供給量 供給量 Pb:キャリアガス7CCM,ディリューエントガス38CCM Zr:キャリアガス4CCM,ディリューエントガス41CCM Ti:キャリアガス5CCM,ディリューエントガス40CCM[Table 1] Substance name Supply amount Supply amount Pb: Carrier gas 7 CCM, diluent gas 38 CCM Zr: carrier gas 4 CCM, diluent gas 41 CCM Ti: carrier gas 5 CCM, diluent gas 40 CCM

【0017】以上の条件で、4時間成膜をおこなって、
PZT薄膜3を得ることができた。成膜された構造物性
は、以下の通りである。
Under the above conditions, a film is formed for 4 hours.
A PZT thin film 3 was obtained. The physical properties of the formed film are as follows.

【0018】[0018]

【表2】エリプソメータにより測定された膜厚:202
10Å EDXにより測定された膜組成:Pb:Zr:Ti=
1:0.66:0.81
[Table 2] Film thickness measured by ellipsometer: 202
10Å Film composition measured by EDX: Pb: Zr: Ti =
1: 0.66: 0.81

【0019】XRDにより測定されたx線回折パターン
を図2に示した。同図からも判明するように、得られた
ものは、ペロブスカイト結晶構造の(001)、(11
0)、(002)の反射、及びその高次の反射が主に見
られた。
FIG. 2 shows an x-ray diffraction pattern measured by XRD. As can be seen from the figure, the obtained ones have the perovskite crystal structures (001) and (11).
0) and (002) reflections and higher-order reflections were mainly observed.

【0020】上記のようにして得られた強誘電体薄膜素
子の電気的特性は、以下のようであった。
The electrical characteristics of the ferroelectric thin film device obtained as described above were as follows.

【0021】[0021]

【表3】 誘電率 εr :726 誘電損失 tanδat100kHZ:135×10-4 残留分極 :0.03×10-6C/cm2 このときの成膜直後の圧電定数hは、−1.21×10
8V/mであった。
[Table 3] Dielectric constant εr: 726 Dielectric loss tanδat 100 kHz: 135 × 10 -4 Remanent polarization: 0.03 × 10 -6 C / cm 2 At this time, the piezoelectric constant h immediately after film formation is −1.21 × 10
8 V / m.

【0022】さらに、このようにして得られた強誘電体
薄膜素子1にポーリング処理を施した。20×106
/m(膜厚2μmに対し40Vの直流電圧を上部、下部
電極間に大気中常温下でかける)でポーリング処理した
後の圧電定数hは、6.17×108V/mになった。
Further, the ferroelectric thin film element 1 thus obtained was subjected to a poling treatment. 20 × 10 6 V
The piezoelectric constant h after poling at / m (a DC voltage of 40 V applied to the film thickness of 2 μm between the upper and lower electrodes at room temperature in the air) was 6.17 × 10 8 V / m.

【0023】上記の圧電定数hの測定にあたって採用し
た手法に関して図面、下記の数式に基づいて説明する。
測定にあたっては、図3(イ)に示すような片持ち構成
の測定装置30を構築し、素子に強制変位を与え、その
電圧出力をモニタすることで、数1に示す数式に基づい
て圧電定数hを算出した。なお、測定にあたっては、測
定用試料(サンプル)31を、5mm×5mmに切り出
し、上部のPtスパッタ層4を上部電極32とした。だ
たし、図3では理解を容易にするために上部電極は小さ
く描いている。測定装置1の概略を図3(イ)について
説明すると、装置1は、測定対象である素子(測定用試
料31)を固定台38に片持ち構成で支持できるように
構成されており、非固定側の素子端部31aを、モータ
33により回転駆動されるカム34により、周期的な撓
み変形(曲げ)を付与できるように構成されている。一
方、素子からの出力及び素子の変形に関しては、素子か
らの圧電効果による電気的出力が上部電極32(Ptス
パッタ層)及び下部電極35(これは本願の場合、素子
基板であるTi箔2)からオシロスコープ36によって
表示できるように、さらに、素子の撓みを計測する光変
位計37を素子の所定部位37bに対して設置し、この
出力も先のオシロスコープ36に導いて表示、検出でき
るように構成した。図4にオシロスコープ36の表示画
面を示した。素子からの電気的出力を実線(Vで示す)
で、光変位計からの出力を破線(ζ0で示す)で示し
た。機械的な撓みを良好に代表できていることが判る。
次に圧電定数hの導出に関して説明する。上記の測定装
置1に於ける測定系の構成を模式的に図3(ロ)に示し
た。各符号の説明は、同図と、以下に示す式の符号の説
明に示した。ここで、入力定数とは系の構成から予め判
明している定数であり、近似定数は、圧電定数hの導出
に必要な定数の近似値である。圧電定数hは以下の式に
基づいて求めるものとした。
The method employed for measuring the above piezoelectric constant h will be described with reference to the drawings and the following equations.
In the measurement, a measuring device 30 having a cantilever configuration as shown in FIG. 3A is constructed, a forcible displacement is applied to the element, and the voltage output thereof is monitored. h was calculated. In the measurement, a measurement sample (sample) 31 was cut into a size of 5 mm × 5 mm, and the upper Pt sputtered layer 4 was used as an upper electrode 32. However, in FIG. 3, the upper electrode is drawn small for easy understanding. FIG. 3A is a schematic diagram of the measuring apparatus 1. The apparatus 1 is configured so that an element (measurement sample 31) to be measured can be supported on a fixed base 38 in a cantilevered manner. The element end 31 a on the side is configured to be able to be subjected to periodic bending deformation (bending) by a cam 34 rotated and driven by a motor 33. On the other hand, regarding the output from the element and the deformation of the element, the electric output by the piezoelectric effect from the element is obtained by the upper electrode 32 (Pt sputtered layer) and the lower electrode 35 (this is the Ti foil 2 which is the element substrate in this application) In addition, an optical displacement meter 37 for measuring the bending of the element is installed at a predetermined portion 37b of the element so that the output can be guided to the oscilloscope 36 to display and detect. did. FIG. 4 shows a display screen of the oscilloscope 36. The electric output from the device is indicated by a solid line (shown by V)
In, shows output from the optical displacement meter by broken lines (zeta indicated by 0). It can be seen that mechanical deflection can be well represented.
Next, the derivation of the piezoelectric constant h will be described. FIG. 3B schematically shows the configuration of the measurement system in the above-described measuring apparatus 1. The description of each code is shown in the same figure and the description of the code of the following formula. Here, the input constant is a constant known in advance from the configuration of the system, and the approximate constant is an approximate value of a constant necessary for deriving the piezoelectric constant h. The piezoelectric constant h was determined based on the following equation.

【0024】[0024]

【数1】 (Equation 1)

【0025】さらに、上記と同様な手法で、Ti箔2上
にPZT薄膜3を形成する場合における成膜条件、ポー
リング処理条件を変化させた実験をおこなった。得られ
たPZT薄膜3の膜厚、組成、電気的特性及びポーリン
グ印加電界量を表4に示した。同表において、成膜条件
に関しては、成膜時の基板温度℃、シリンダ温度
(℃)、キャリアガス流量(CCM)、展開ガス流量
(CCM)を示した。成膜室の圧力に関しては、上記の
例と同様にした。また、流量の項において、「初」と記
載したのは、Tiの酸化層を形成する場合の流量を示
し、「後」と記載したのは、PZT薄膜の成膜時の流量
を示している。電気的特性としては、誘電率εr、誘電
損失tanδat100kHZ、残留分極、圧電定数h
(ポーリング処理前(成膜そのまま)とポーリング処理
後のもの)を示した。
Further, in the same manner as described above, an experiment was conducted in which the film forming conditions and the poling conditions in forming the PZT thin film 3 on the Ti foil 2 were changed. Table 4 shows the thickness, composition, electrical characteristics, and poling applied electric field of the obtained PZT thin film 3. In the same table, the film forming conditions include the substrate temperature during film formation, the cylinder temperature (° C.), the carrier gas flow rate (CCM), and the developing gas flow rate (CCM). The pressure in the film forming chamber was the same as in the above example. In the flow rate section, “first” indicates a flow rate when an oxide layer of Ti is formed, and “after” indicates a flow rate at the time of forming a PZT thin film. . Electrical characteristics include dielectric constant εr, dielectric loss tanδat 100 kHz, remanent polarization, piezoelectric constant h
(Before the poling process (as-is) and after the poling process).

【0026】[0026]

【表4】 [Table 4]

【0027】同表に示したものは、全て、可撓性を有す
るTi箔上に形成されたものであり、誘電特性を有する
薄膜素子となっている。さらに、基板であるTi箔が一
方の電極としての役割を果たす。比較のために、バルク
状のPZTからなる素子の電気的特性は、誘電率εrに
関して1000程度、圧電定数hに関して700(MV
/m)程度であり、本願のものが、バルクに対して優れ
ていることが判る。また、ポーリング処理の効果は大き
い。この素子を圧電素子として利用する場合、基板温度
として410〜490℃での成膜が好ましい。この温度
範囲を外れると圧電定数e(C2/m)は、低くなりや
すい。一方、この温度範囲を、435〜485℃に設定
すると、圧電定数e(C2/m)が、高いものを得るこ
とができ、さらに好ましい。
The elements shown in the table are all formed on a flexible Ti foil, and are thin-film elements having dielectric properties. Further, a Ti foil serving as a substrate plays a role as one electrode. For comparison, the electrical characteristics of a device made of bulk PZT are as follows: dielectric constant εr is about 1000, and piezoelectric constant h is 700 (MV
/ M), which indicates that the present invention is superior to bulk. Further, the effect of the polling process is great. When this element is used as a piezoelectric element, it is preferable to form a film at a substrate temperature of 410 to 490 ° C. Outside this temperature range, the piezoelectric constant e (C 2 / m) tends to be low. On the other hand, when this temperature range is set to 435 to 485 ° C., a material having a high piezoelectric constant e (C 2 / m) can be obtained, which is more preferable.

【0028】〔その他の実施例〕 (イ) 上記の実施の形態にあっては、強誘電体薄膜と
してPZTについて説明したが、本願の対象は、鉛、ジ
ルコン、チタンから選択された2種以上の金属を含むペ
ロブスカイト型構造の複合酸化物薄膜であれば、本願構
成を採用できる。 (ロ) 上記の実施の形態にあっては、基板(素子支持
体)としてTi箔を使用する場合を説明したが、材料的
には、鉛、ジルコン等も使用可能であり、箔とされるも
のであれば、可撓性の付与の点で好ましい。このような
箔(薄膜)の厚みは0.1〜50μm(さらに好ましく
は10〜50μm)が好適である。 (ハ) 本願のように、基板を電極とする場合、この基
板は一方の電極とされればよく、上部電極、下部電極、
いずれとなる場合を問うものではない。 (ニ) 上記の実施の形態においては、薄膜製造手法と
して、MOCVD法を採用したが、スパッタリング法、
レーザーアブレーション法、プレズマスプレー法等も使
用できる。
[Other Examples] (A) In the above embodiment, PZT was described as a ferroelectric thin film, but the present invention is applied to two or more types selected from lead, zircon, and titanium. The configuration of the present application can be adopted as long as the composite oxide thin film has a perovskite structure containing the above metal. (B) In the above embodiment, the case where the Ti foil is used as the substrate (element support) has been described. However, as the material, lead, zircon, or the like can be used, and the foil is used. Such a material is preferred in terms of imparting flexibility. The thickness of such a foil (thin film) is preferably 0.1 to 50 μm (more preferably 10 to 50 μm). (C) As in the present application, when the substrate is an electrode, the substrate may be one electrode, and the upper electrode, the lower electrode,
It does not matter in which case. (D) In the above embodiment, the MOCVD method is employed as a thin film manufacturing method.
Laser ablation method, plasma spray method and the like can also be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本願の強誘電体薄膜素子の構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a ferroelectric thin film element of the present application.

【図2】強誘電体薄膜のX線回折パターンを示す図FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a ferroelectric thin film.

【図3】強誘電体薄膜素子の特性試験装置を示す図FIG. 3 is a diagram showing an apparatus for testing the characteristics of a ferroelectric thin film element.

【図4】素子の出力電圧と光変位計の撓み信号との関係
を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an output voltage of an element and a deflection signal of an optical displacement meter.

【図5】従来構成の強誘電体薄膜素子の断面構成を示す
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional ferroelectric thin-film element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 強誘電体薄膜素子 2 Ti箔(基板) 3 PZT薄膜(強誘電体薄膜) 5 TiO2層(基板材料の酸化物層)DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ferroelectric thin film element 2 Ti foil (substrate) 3 PZT thin film (ferroelectric thin film) 5 TiO 2 layer (oxide layer of substrate material)

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 鉛、ジルコン、チタンから選択された2
種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、前記複合酸
化物薄膜の表裏面のいずれかの側に基板を備えた強誘電
体薄膜素子であって、 前記基板が、鉛、ジルコン、チタンのいずれか1種から
なる強誘電体薄膜素子。
1. A material selected from the group consisting of lead, zircon and titanium.
A ferroelectric thin-film element comprising a composite oxide thin film containing at least one kind of metal, and a substrate provided on either side of the front and back surfaces of the composite oxide thin film, wherein the substrate is composed of lead, zircon, and titanium. A ferroelectric thin-film element comprising any one of them.
【請求項2】 鉛、ジルコン、チタンから選択された2
種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備え、前記複合酸
化物薄膜の表裏面、それぞれに電極を備え、上部電極と
下部電極との間で電気的出力を得る強誘電体薄膜素子で
あって、前記上部電極と下部電極のいずれか一方が、
鉛、ジルコン、チタンのいずれか1種からなる基板であ
る強誘電体薄膜素子。
2. A material selected from the group consisting of lead, zircon and titanium.
A ferroelectric thin-film element comprising a composite oxide thin film containing at least one kind of metal, front and back surfaces of the composite oxide thin film, each having an electrode, and obtaining an electric output between an upper electrode and a lower electrode. One of the upper electrode and the lower electrode,
A ferroelectric thin film element which is a substrate made of any one of lead, zircon and titanium.
【請求項3】 前記基板が、可撓性を有する薄膜である
請求項1または2記載の強誘電体薄膜素子。
3. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the substrate is a thin film having flexibility.
【請求項4】 前記基板と前記複合酸化物薄膜との間に
基板材料の酸化物層が備えられている請求項1〜3のい
ずれか1項に記載の強誘電体薄膜素子。
4. The ferroelectric thin-film element according to claim 1, wherein an oxide layer of a substrate material is provided between said substrate and said composite oxide thin film.
【請求項5】 前記複合酸化物がチタン酸ジルコン酸鉛
であり、前記基板がチタン材料からなる請求項1〜4の
いずれか1項に記載の強誘電体薄膜素子。
5. The ferroelectric thin-film element according to claim 1, wherein said composite oxide is lead zirconate titanate, and said substrate is made of a titanium material.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の強
誘電体薄膜素子に、ポーリング処理を施して得られる圧
電素子。
6. A piezoelectric element obtained by subjecting the ferroelectric thin-film element according to claim 1 to a poling process.
【請求項7】 基板表面上に、鉛、ジルコン、チタンか
ら選択された2種以上の金属を含む複合酸化物薄膜を備
える強誘電体薄膜素子の製造方法であって、 前記基板として、鉛、ジルコン、チタンのいずれか1種
からなる特定材料基板を使用し、前記特定材料基板表面
に基板材料の酸化層を形成した後、前記複合酸化物薄膜
を形成する強誘電体薄膜素子の製造方法。
7. A method of manufacturing a ferroelectric thin film element comprising a composite oxide thin film containing at least two metals selected from lead, zircon and titanium on a surface of a substrate, wherein the substrate comprises lead, A method of manufacturing a ferroelectric thin-film element, comprising using a specific material substrate made of one of zircon and titanium, forming an oxide layer of a substrate material on the surface of the specific material substrate, and then forming the composite oxide thin film.
【請求項8】 前記特定材料基板が、可撓性を有する薄
膜である請求項7記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
8. The method according to claim 7, wherein the specific material substrate is a thin film having flexibility.
【請求項9】 前記複合酸化物がチタン酸ジルコン酸鉛
であり、前記基板がチタン材料からなる請求項7、8に
記載の強誘電体薄膜素子の製造方法。
9. The method according to claim 7, wherein the composite oxide is lead zirconate titanate, and the substrate is made of a titanium material.
【請求項10】 請求項7〜9のいずれか1項に記載の
強誘電体薄膜素子の製造方法により製造された強誘電体
薄膜素子に、ポーリング処理を施す圧電素子の製造方
法。
10. A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising subjecting a ferroelectric thin-film element manufactured by the method for manufacturing a ferroelectric thin-film element according to claim 7 to a poling process.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002055116A (en) * 2000-08-10 2002-02-20 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Flexible highly sensitive ceramic sensor
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DE102022132815A1 (en) 2022-12-09 2024-06-20 Tdk Electronics Ag Ceramic thin film substrate and thin film device

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