JPS6089196A - 圧電素子及びその製造方法 - Google Patents
圧電素子及びその製造方法Info
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- JPS6089196A JPS6089196A JP58195986A JP19598683A JPS6089196A JP S6089196 A JPS6089196 A JP S6089196A JP 58195986 A JP58195986 A JP 58195986A JP 19598683 A JP19598683 A JP 19598683A JP S6089196 A JPS6089196 A JP S6089196A
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- Japan
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- thin film
- lead titanate
- grating
- piezoelectric element
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
- H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は圧電素子に関し、特に圧電体としてチタン酸鉛
ＰｂＴｉＯ３’ｌｉ−用い尼薄膜圧電素子に関する。
ＰｂＴｉＯ３’ｌｉ−用い尼薄膜圧電素子に関する。
チタン酸鉛ＰｂＴｉＯｓは、他の圧電体材料（例えばチ
タン酸バリウムＢａＴｉ０．、ジルコン酸鉛ＰｂＺｒ０
ａ等）と異なシ、次のような特徴がある。
タン酸バリウムＢａＴｉ０．、ジルコン酸鉛ＰｂＺｒ０
ａ等）と異なシ、次のような特徴がある。
チタン酸鉛ＰｂＴｌ０ａは強誘電相（正方晶系）で太さ
な結晶格子異方性、および自発分極Ｐｓ’ｒもつ。
な結晶格子異方性、および自発分極Ｐｓ’ｒもつ。
一般に、強誘電体結晶における圧電性は、自発分極Ｐ８
に比例すると考えられるので、チタン酸鉛ＰｂＴｊＯａ
の結晶は大きな圧電性をもつことが期待される。しかし
、実用的な大きさのチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３の単結晶を
得るのは困難であるので、現在そのセラミックスが用い
られている。ところが、チタン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｉ０３
のセラミックスは、結晶軸がランダムな方向を向いた結
晶粒の集シでりるため、自発分極Ｐ８が太きいというチ
タン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｊ Ｏ３の特性を充分活７１１）
シてはいない。このことは、チタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇを
薄膜化する場合でも同様で、結晶軸方向がランダムな多
結晶薄膜では充分な特性は期待できず、さらに薄膜化に
よる強誘電性の劣化（自発分極自身の減少）も考えられ
る。
に比例すると考えられるので、チタン酸鉛ＰｂＴｊＯａ
の結晶は大きな圧電性をもつことが期待される。しかし
、実用的な大きさのチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３の単結晶を
得るのは困難であるので、現在そのセラミックスが用い
られている。ところが、チタン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｉ０３
のセラミックスは、結晶軸がランダムな方向を向いた結
晶粒の集シでりるため、自発分極Ｐ８が太きいというチ
タン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｊ Ｏ３の特性を充分活７１１）
シてはいない。このことは、チタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇを
薄膜化する場合でも同様で、結晶軸方向がランダムな多
結晶薄膜では充分な特性は期待できず、さらに薄膜化に
よる強誘電性の劣化（自発分極自身の減少）も考えられ
る。
そこで、最近、基板を選択してチタン酸鉛ＰｂＴｊＯｓ
の単結晶、もしくはＣ軸配向した多結晶薄膜を得ようと
いう試みがなされている。例えば、酸化マグネシウム単
結晶を基板とじ尚周波スパッタリングでチタン酸鉛Ｐｂ
Ｔ！Ｏｓのエピタキシャル成長に成功したことが報告さ
れている（ １９８３年春季第３０回応用物理学関係連
合Ｂｆｑ演会予稿集Ｐ６９１、講演番号７Ｐ−Ｚ−３）
。しかし、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜を圧電素子、も
しくは焦電素子として用いるためには、下地にｔ１極を
設ける必要がメ９、結局、素子化のために酸化マグネシ
ウム単結晶そのものを基板とすることなく、酸化マグネ
シウム単結晶上に白金ｐｔの多結晶腺會スパッタしたも
のを基板として用いている。そのため、チタン酸鉛Ｐｂ
ＴｉＯ３薄膜はＣ軸配向しているものの多結晶膜となり
、あえて高価な酸化マグネシウム単結晶を基板に用いた
効果が半減している。
の単結晶、もしくはＣ軸配向した多結晶薄膜を得ようと
いう試みがなされている。例えば、酸化マグネシウム単
結晶を基板とじ尚周波スパッタリングでチタン酸鉛Ｐｂ
Ｔ！Ｏｓのエピタキシャル成長に成功したことが報告さ
れている（ １９８３年春季第３０回応用物理学関係連
合Ｂｆｑ演会予稿集Ｐ６９１、講演番号７Ｐ−Ｚ−３）
。しかし、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜を圧電素子、も
しくは焦電素子として用いるためには、下地にｔ１極を
設ける必要がメ９、結局、素子化のために酸化マグネシ
ウム単結晶そのものを基板とすることなく、酸化マグネ
シウム単結晶上に白金ｐｔの多結晶腺會スパッタしたも
のを基板として用いている。そのため、チタン酸鉛Ｐｂ
ＴｉＯ３薄膜はＣ軸配向しているものの多結晶膜となり
、あえて高価な酸化マグネシウム単結晶を基板に用いた
効果が半減している。
本発明の目的は、上記の如き従来技術の欠点を解消し、
酸化マグネ７ウムのような高価な単結晶基板を用いなく
とも優れた結晶性とＣ軸配向性を有する圧電体薄膜、特
にチタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇ薄膜が安価に得ら扛る構成の
圧電素子を提供することにるる。
酸化マグネ７ウムのような高価な単結晶基板を用いなく
とも優れた結晶性とＣ軸配向性を有する圧電体薄膜、特
にチタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇ薄膜が安価に得ら扛る構成の
圧電素子を提供することにるる。
上記目的を達成するため、本発明による圧電素子は、ク
レーティングが形成された基板上に電極材料が被覆され
、該電極材料の上に圧電体薄膜、特にチタン酸鉛ＰｂＴ
ｆＯｓ’ｅ主成分とする薄膜が形成され、さらにその上
に上部電極が形成されていることに特徴がある。
レーティングが形成された基板上に電極材料が被覆され
、該電極材料の上に圧電体薄膜、特にチタン酸鉛ＰｂＴ
ｆＯｓ’ｅ主成分とする薄膜が形成され、さらにその上
に上部電極が形成されていることに特徴がある。
〔発明の実施例」
以下、本発明の一実施例を詳細に説明する。
本来流側による圧電素子は、細いクレーティングを形成
した基板上に単結晶薄膜を形成するグラフオエピタキシ
ーにょシテタン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｆ Ｏｓが形成されて
いること’に％徴としている。グラフオエピタキシーに
よれば、基板として高価な単結晶板を用いる必要はなく
、石英ガラスのような安価な非晶質基板にフォトリソグ
ラフィ等によシ細いグレーティングを形成したものを用
いればよい。また、結晶成長の仕方は、主としてグレー
ティングの幾何学的形状に律則されるので、グレーティ
ング基板上全電極材料で被覆してもその影響は小さい。
した基板上に単結晶薄膜を形成するグラフオエピタキシ
ーにょシテタン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｆ Ｏｓが形成されて
いること’に％徴としている。グラフオエピタキシーに
よれば、基板として高価な単結晶板を用いる必要はなく
、石英ガラスのような安価な非晶質基板にフォトリソグ
ラフィ等によシ細いグレーティングを形成したものを用
いればよい。また、結晶成長の仕方は、主としてグレー
ティングの幾何学的形状に律則されるので、グレーティ
ング基板上全電極材料で被覆してもその影響は小さい。
したがって、下地電極の上に結晶性、およびＣ軸配向性
に優れたチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜を形成することが
でき、さらに蒸着等により上部電極を設けることでチタ
ン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜の特性を活かした優れた圧電素
子を得ることができる。
に優れたチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜を形成することが
でき、さらに蒸着等により上部電極を設けることでチタ
ン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜の特性を活かした優れた圧電素
子を得ることができる。
以下、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜の形成例を説明する
。
。
第１図（ａ）に示すように、両端面を光学研磨した円柱
状の石英ガラス（１０閣φｘｌｏｍｍｔ）１の１つの端
面に、フォトリソグラフィ法によｐ周期２μｍのレジス
トハターンを作り、ざらにイオンミリング法で深さ２０
０ｎｍの溝状のグレーティング２を形成する。次に、第
１図（ｂ）、 （Ｃ）に示すように、クレーティング２
が形成された基板１上に下部電極３として厚さ約ｌＱＱ
ｎｍの白金ｐｔ膜を蒸着した後、高周波マグネトロンス
パッタリングでチタン酸鉛ＰｂＴｊＯｇ’に主成分とす
る薄膜４を形成する。他の微少成分としては、例えばジ
ルコンＺｒ、マグネシウムＭｇ等があムこれらは圧電性
を高めるために添加でれる。スパッタ条件は基板温度５
ｓｏｃ、Ａｒ ０２ガス（９０％−１０％）の圧力３Ｐ
ａ、スパッタ時間１０時間であり、形成された膜厚は３
μｍでめる。このチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３の薄膜４’ｌ
ｒＸ線回折にょシ評価したところ、（００，２）の強い
回折線ピークと（ｂｏｏ）の弱い回折組ピークが現われ
、はぼＣ軸配向した膜であることがわかった。次に、５
ｗｎφのマスクを用いてチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜４
の上にクロムＣｒと金ＡＬＩを蒸着し上部電極５を形成
する。きらに、試料の温度’ｅ２００ｔ：ｌ’に保ち、
両電極間に１００Ｋｖ／ｃｒｎの直流電圧を２０分間印
加して分極処理を行う。
状の石英ガラス（１０閣φｘｌｏｍｍｔ）１の１つの端
面に、フォトリソグラフィ法によｐ周期２μｍのレジス
トハターンを作り、ざらにイオンミリング法で深さ２０
０ｎｍの溝状のグレーティング２を形成する。次に、第
１図（ｂ）、 （Ｃ）に示すように、クレーティング２
が形成された基板１上に下部電極３として厚さ約ｌＱＱ
ｎｍの白金ｐｔ膜を蒸着した後、高周波マグネトロンス
パッタリングでチタン酸鉛ＰｂＴｊＯｇ’に主成分とす
る薄膜４を形成する。他の微少成分としては、例えばジ
ルコンＺｒ、マグネシウムＭｇ等があムこれらは圧電性
を高めるために添加でれる。スパッタ条件は基板温度５
ｓｏｃ、Ａｒ ０２ガス（９０％−１０％）の圧力３Ｐ
ａ、スパッタ時間１０時間であり、形成された膜厚は３
μｍでめる。このチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３の薄膜４’ｌ
ｒＸ線回折にょシ評価したところ、（００，２）の強い
回折線ピークと（ｂｏｏ）の弱い回折組ピークが現われ
、はぼＣ軸配向した膜であることがわかった。次に、５
ｗｎφのマスクを用いてチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３薄膜４
の上にクロムＣｒと金ＡＬＩを蒸着し上部電極５を形成
する。きらに、試料の温度’ｅ２００ｔ：ｌ’に保ち、
両電極間に１００Ｋｖ／ｃｒｎの直流電圧を２０分間印
加して分極処理を行う。
以上のよりに構成された圧電素子の両電極間にバースト
波を印加して超音波を発生させ、円柱状石英カラスの他
端面から反射して帰ってキタエコーの強度を周波数０．
１〜１．２０ ＨＺの範囲で測定し、この周波数特性か
ら電気機械結合係数を計算すると、０．６０という値を
得た。これはセラミックスの値〜０．５全上回６もので
必シ、チタン酸鉛ＰｂＴｊＯｓ薄膜がＣ軸配向した効果
が現われている。
波を印加して超音波を発生させ、円柱状石英カラスの他
端面から反射して帰ってキタエコーの強度を周波数０．
１〜１．２０ ＨＺの範囲で測定し、この周波数特性か
ら電気機械結合係数を計算すると、０．６０という値を
得た。これはセラミックスの値〜０．５全上回６もので
必シ、チタン酸鉛ＰｂＴｊＯｓ薄膜がＣ軸配向した効果
が現われている。
なお、第１図の圧電素子は、Ａｊｉｌ°波顕微鏡、非破
壊検査装置等に使分される超音波探触子に適用されるも
のでるる。
壊検査装置等に使分される超音波探触子に適用されるも
のでるる。
次にチタン酸鉛Ｐｂ’ｌ’ｊＯａ薄膜の第２の形成側全
説明する。
説明する。
前述の形成例と同様に、基板（石英ガラス）１上にグレ
ーティング２を形成した後、下部成極３としてｌＱＱｎ
ｍの白金Ｐｔ膜を蒸着した。白金Ｐｔ膜上に、尚周波マ
グネトロンスパッタリングによりチタン酸鉛ｐｂＴｉ０
３ｔ−主成分とする薄膜４全形成した。導入ガスの圧力
は３Ｐａとし、基板は加熱しなかった。その結果得られ
たチタン酸鉛ＰｂＴ４０ｓの薄膜４ｇＸ線回折により計
画したところ、顕著な回折線は現われず非晶質の膜であ
ったが、６５０Ｃで４時間熱処理した後、再びＸ＝回折
を行ったところ、（００，りの強い回折線と（ｈｏｏ）
の弱い回折線が現われ、Ｃ軸配向して結晶化したことが
わかった。このことから、グレーティングを施した基板
上に非晶質のチタン酸鉛ＰｂＴｊＯｓを形成し、七れを
熱処理する方法を用いても、Ｃ軸配向した薄膜が得られ
ることがわかる。
ーティング２を形成した後、下部成極３としてｌＱＱｎ
ｍの白金Ｐｔ膜を蒸着した。白金Ｐｔ膜上に、尚周波マ
グネトロンスパッタリングによりチタン酸鉛ｐｂＴｉ０
３ｔ−主成分とする薄膜４全形成した。導入ガスの圧力
は３Ｐａとし、基板は加熱しなかった。その結果得られ
たチタン酸鉛ＰｂＴ４０ｓの薄膜４ｇＸ線回折により計
画したところ、顕著な回折線は現われず非晶質の膜であ
ったが、６５０Ｃで４時間熱処理した後、再びＸ＝回折
を行ったところ、（００，りの強い回折線と（ｈｏｏ）
の弱い回折線が現われ、Ｃ軸配向して結晶化したことが
わかった。このことから、グレーティングを施した基板
上に非晶質のチタン酸鉛ＰｂＴｊＯｓを形成し、七れを
熱処理する方法を用いても、Ｃ軸配向した薄膜が得られ
ることがわかる。
矢に、チタン酸鉛Ｐ ｂ Ｔ ｔ Ｏａ薄膜４上に上部
電極５を設け、Ｃ軸配向したテタ／ば鉛ＰｂＴｊＯａ薄
膜４に対して分極処理ケ行った後、前例と同様の方法で
電気機械結合係数をめたところ０．６２という値を得た
。
電極５を設け、Ｃ軸配向したテタ／ば鉛ＰｂＴｊＯａ薄
膜４に対して分極処理ケ行った後、前例と同様の方法で
電気機械結合係数をめたところ０．６２という値を得た
。
以上のことから、グレーティングを形成した基板を用い
た場合、たとえその上に電極材料全被覆したとしても該
電極材料の上にさらに形成云れたチタン酸鉛Ｐ ｂＴ
Ｉ Ｏ３薄膜はＣ軸配向しており、電気機械結合係数が
セラミックス状チタン酸鉛ＰｂＴｉ０ａのそれを越える
圧電性の高い圧電素子が実現できることは明らかである
。
た場合、たとえその上に電極材料全被覆したとしても該
電極材料の上にさらに形成云れたチタン酸鉛Ｐ ｂＴ
Ｉ Ｏ３薄膜はＣ軸配向しており、電気機械結合係数が
セラミックス状チタン酸鉛ＰｂＴｉ０ａのそれを越える
圧電性の高い圧電素子が実現できることは明らかである
。
また、第２図に示すような構成の素子を形成すれば、ア
レー変換器の作成も可能でりる。
レー変換器の作成も可能でりる。
１ず、石英基板６上に図示したようなグレーティング７
を形成し、電極材料で被覆する。この基板上にチタン酸
鉛ＰｂＴｉＯｓ薄膜全形成すると、グレーティングのあ
る部分ＡではＣ軸配向しているがグレーティングのない
部分Ｂでは多結晶膜となる。さらに、Ｃ軸配向した部分
Ａに上部電極８を蒸着して分極処理を行えば、この部分
Ａのみが圧電活性となる。
を形成し、電極材料で被覆する。この基板上にチタン酸
鉛ＰｂＴｉＯｓ薄膜全形成すると、グレーティングのあ
る部分ＡではＣ軸配向しているがグレーティングのない
部分Ｂでは多結晶膜となる。さらに、Ｃ軸配向した部分
Ａに上部電極８を蒸着して分極処理を行えば、この部分
Ａのみが圧電活性となる。
このような構成の素子を形成すれば、各々のエレメント
（グレーティングが形成さＪＬ、Ｃ軸配向し′ｆｃ部分
Ａ）が独立に動作するアレー変換器ができることは明ら
かである。
（グレーティングが形成さＪＬ、Ｃ軸配向し′ｆｃ部分
Ａ）が独立に動作するアレー変換器ができることは明ら
かである。
以上説明したように、本発明Ｖこよれば、グレーティン
グを形成した基板を用いることにより、酸化マグネシウ
ムのように高価な単結晶基板を用いなくとも優れた結晶
性とＣ軸配向性を有する圧電体薄膜、荷にチタン敵船Ｐ
ｂＴｉＯｓ薄ｊ換が得られる構成の圧電素子全安価に実
現することができる。
グを形成した基板を用いることにより、酸化マグネシウ
ムのように高価な単結晶基板を用いなくとも優れた結晶
性とＣ軸配向性を有する圧電体薄膜、荷にチタン敵船Ｐ
ｂＴｉＯｓ薄ｊ換が得られる構成の圧電素子全安価に実
現することができる。
第１図は本発明の第１の実施例を説明するための図、第
２図は本発明の第２の実施例を説明するための図である
。 １．６・・・基板材料、２，７・・・グレーティング、
３・・・下部電極、４・・・チタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇ薄
膜、５゜第 １ 図 （ト）（り 消 ２ 図
２図は本発明の第２の実施例を説明するための図である
。 １．６・・・基板材料、２，７・・・グレーティング、
３・・・下部電極、４・・・チタン酸鉛ＰｂＴ１０ｇ薄
膜、５゜第 １ 図 （ト）（り 消 ２ 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ′１． グレーティングが形成された基板上に電極材料
が被覆され、−該電極材料の上に圧電体からなる薄膜が
形成され、芒らに該薄膜の上に上部電極が形成されてい
ることに％徴とう゛る圧電素子。 ２、前記圧電体は、チタン酸鉛ＰｂＴｉ０＋’ｒ主成分
として構成されていること全特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の圧電素子。 ３、 前記圧電体は、高周波スパッタリング法により形
成されることを％徴とする！ｒケＫＦ請求の範囲第１項
、または第２項記載の圧電素子の製造方法。 ４、 前記圧電体は、尚周波スパッタリング法により形
成され、さらに熱処理されること７！−特徴とする特許
請求の範囲第１項、捷たは第２項記載の圧電素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58195986A JPS6089196A (ja) | 1983-10-21 | 1983-10-21 | 圧電素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58195986A JPS6089196A (ja) | 1983-10-21 | 1983-10-21 | 圧電素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6089196A true JPS6089196A (ja) | 1985-05-20 |
Family
ID=16350308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58195986A Pending JPS6089196A (ja) | 1983-10-21 | 1983-10-21 | 圧電素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6089196A (ja) |
-
1983
- 1983-10-21 JP JP58195986A patent/JPS6089196A/ja active Pending
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