JPS62100099A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
圧電素子およびその製造方法Info
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- JPS62100099A JPS62100099A JP23932385A JP23932385A JPS62100099A JP S62100099 A JPS62100099 A JP S62100099A JP 23932385 A JP23932385 A JP 23932385A JP 23932385 A JP23932385 A JP 23932385A JP S62100099 A JPS62100099 A JP S62100099A
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- piezoelectric
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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、圧電素子およびその製造方法に関し、特に薄
膜圧電素子の圧電体を圧電性の優れたチタン酸鉛（Ｐｂ
ＴｉＯｇ）で形成するのに好適な圧電素子およびその製
造方法に関するものである。
膜圧電素子の圧電体を圧電性の優れたチタン酸鉛（Ｐｂ
ＴｉＯｇ）で形成するのに好適な圧電素子およびその製
造方法に関するものである。
チタン酸鉛（ｐｂＴｉｏｓ）は強誘電相（正方晶系）に
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極Ｐｓをもつこと
が知られている。強誘電体結晶における圧電性は、一般
に自発分極Ｐｓの大きさに比例すると考えられることが
ら、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ）の結晶にも大きな圧電
性が有されていることが期待される。しかし、チタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ８）単結晶は極く小さなものしか得られ
ず、実用上はセラミクスが用いられている。ところがこ
のセラミクスは結晶軸がランダムな方向を向いた結晶粒
の集まりであるため、自発分極の向き（結晶のｃｌｌｉ
Ｉ１１方向）が揃っておらず自発分極が大きいというチ
タン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ）の特長を充分活かしていない
。
おいて大きな結晶格子異方性と自発分極Ｐｓをもつこと
が知られている。強誘電体結晶における圧電性は、一般
に自発分極Ｐｓの大きさに比例すると考えられることが
ら、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ）の結晶にも大きな圧電
性が有されていることが期待される。しかし、チタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ８）単結晶は極く小さなものしか得られ
ず、実用上はセラミクスが用いられている。ところがこ
のセラミクスは結晶軸がランダムな方向を向いた結晶粒
の集まりであるため、自発分極の向き（結晶のｃｌｌｉ
Ｉ１１方向）が揃っておらず自発分極が大きいというチ
タン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ）の特長を充分活かしていない
。
チタン酸鉛を薄膜化した場合にも、上記のセラミクスの
場合と同様、結晶軸の向きがランダムな多結晶膜では充
分な特性が期待できない。この対策として単結晶基板を
用いてエピタキシャル成長させる方法が考えられる。と
ころが、圧電素子あるいは焦電素子とするためには、下
地に電極を設ける必要がある。そこで近年、単結晶基板
を用いて配向電極膜を形成し、さらにその上に圧電体薄
膜を配向させる試みがなされるようになった。例えば、
１９８４年春季第３１回応用物理学関係連合講演会予稿
集ｐ２４０ （講演番号ＩＰ−Ｈ−６）「ｃ１ｉｌｌＩ
配向ＰｂＴｉＯ３薄膜の誘電特性」と題する文献に記載
されているように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶
基板上に電極として白金（Ｐｔ）をＣ軸配向させさらに
チタン酸鉛（ＰｂＴｊ、０３）薄膜をｃｉｌｉｔｌｌ−
配向させている。
場合と同様、結晶軸の向きがランダムな多結晶膜では充
分な特性が期待できない。この対策として単結晶基板を
用いてエピタキシャル成長させる方法が考えられる。と
ころが、圧電素子あるいは焦電素子とするためには、下
地に電極を設ける必要がある。そこで近年、単結晶基板
を用いて配向電極膜を形成し、さらにその上に圧電体薄
膜を配向させる試みがなされるようになった。例えば、
１９８４年春季第３１回応用物理学関係連合講演会予稿
集ｐ２４０ （講演番号ＩＰ−Ｈ−６）「ｃ１ｉｌｌＩ
配向ＰｂＴｉＯ３薄膜の誘電特性」と題する文献に記載
されているように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶
基板上に電極として白金（Ｐｔ）をＣ軸配向させさらに
チタン酸鉛（ＰｂＴｊ、０３）薄膜をｃｉｌｉｔｌｌ−
配向させている。
しかし、上記の方法においてはチタン酸鉛薄膜は単結晶
基板と接触しておらず、単結晶基板を活かしたエピタキ
シャル成長が行われていない。
基板と接触しておらず、単結晶基板を活かしたエピタキ
シャル成長が行われていない。
本発明の目的は、このような従来の問題を解決し、優れ
た結晶学的特性を有するチタン酸鉛薄膜を電極膜上にエ
ピタキシャル成長させることにより、圧電性の高い圧電
素子を提供することである。
た結晶学的特性を有するチタン酸鉛薄膜を電極膜上にエ
ピタキシャル成長させることにより、圧電性の高い圧電
素子を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の圧電素子はチタン酸
ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ８）等の単結晶基板上にグ
レーティングを形成して電極を埋め込み。
ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ８）等の単結晶基板上にグ
レーティングを形成して電極を埋め込み。
単結晶基板をシードとしてラテラルエピタキシー法によ
ってチタン酸鉛単結晶薄膜を形成することを特徴として
いる。ラテラルエピタキシー法とは絶縁膜上にＳｉ単結
晶を形成する際に用いられる手法である。〔例えば、ア
プライド・フィジックス・レター： （Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ） 、 ３８ （５） 。
ってチタン酸鉛単結晶薄膜を形成することを特徴として
いる。ラテラルエピタキシー法とは絶縁膜上にＳｉ単結
晶を形成する際に用いられる手法である。〔例えば、ア
プライド・フィジックス・レター： （Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ） 、 ３８ （５） 。
３６５ （１９８１） ）この方法によればチタン酸ス
トロンチウム（ＳｒＴｉＯ８）等の単結晶基板上にエピ
タキシー成長したチタン酸鉛薄膜を、さらに電極材料上
を横方向に成長を続けさせ、上記電極材料を包みこんだ
単結晶薄膜にすることができる。したかって、従来、単
結晶基板を用いていた効果が電極膜を介したことにより
半減するという問題が解決できる。この結果、優れた結
晶性を有するチタン酸鉛単結晶膜を電極膜上に形成する
ことが可能であり、さらに上部電極を設けることでチタ
ン酸鉛の特性を活かした圧電素子を得ることができる。
トロンチウム（ＳｒＴｉＯ８）等の単結晶基板上にエピ
タキシー成長したチタン酸鉛薄膜を、さらに電極材料上
を横方向に成長を続けさせ、上記電極材料を包みこんだ
単結晶薄膜にすることができる。したかって、従来、単
結晶基板を用いていた効果が電極膜を介したことにより
半減するという問題が解決できる。この結果、優れた結
晶性を有するチタン酸鉛単結晶膜を電極膜上に形成する
ことが可能であり、さらに上部電極を設けることでチタ
ン酸鉛の特性を活かした圧電素子を得ることができる。
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
第１図に本発明になる圧電素子の外観構造および断面構
造を示す。
造を示す。
図中１はチタン酸ストロンチウム等よりなる単結晶基板
、２はグレーティング、３は白金（Ｐｔ）電極膜、４は
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ８）薄膜、５は上部電極である
。
、２はグレーティング、３は白金（Ｐｔ）電極膜、４は
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ８）薄膜、５は上部電極である
。
以下素子の形成法を述べる。
両端面を光学研磨したチタン酸ストロンチウム単結晶ロ
ンド（１０ｍφＸ １０ ｔｒｒｎ Ｑ ）の片端面に
フォトリソグラフィ法によって１μｍ幅のライン、１μ
ｍ幅のスペースのレジストパターンを形成するにのレジ
ストをマスクとしてイオンミリング法により深さ約１１
００ｎのグレーティング２を形成する。さらに蒸着法に
よって約１１００ｎの白金（Ｐｔ）膜３を蒸着した後レ
ジストを除去することにより、グレーティングを埋める
様な電極が形成される。
ンド（１０ｍφＸ １０ ｔｒｒｎ Ｑ ）の片端面に
フォトリソグラフィ法によって１μｍ幅のライン、１μ
ｍ幅のスペースのレジストパターンを形成するにのレジ
ストをマスクとしてイオンミリング法により深さ約１１
００ｎのグレーティング２を形成する。さらに蒸着法に
よって約１１００ｎの白金（Ｐｔ）膜３を蒸着した後レ
ジストを除去することにより、グレーティングを埋める
様な電極が形成される。
続いて、白金電極膜パターン３上に圧電体としてチタン
酸鉛（ＰｂＴｉＯ８）を主成分とする薄膜４を高周波マ
グネトロンスパッタリングによって形成する。スパッタ
リング条件は、基板温度が５５０℃、Ａｒ ０２ガス
（９０％−１０％）の圧力が３Ｐａ、スパッタリング時
間が６時間であり、形成された膜厚は約２μｍである。
酸鉛（ＰｂＴｉＯ８）を主成分とする薄膜４を高周波マ
グネトロンスパッタリングによって形成する。スパッタ
リング条件は、基板温度が５５０℃、Ａｒ ０２ガス
（９０％−１０％）の圧力が３Ｐａ、スパッタリング時
間が６時間であり、形成された膜厚は約２μｍである。
Ｘ線回折の結果、（ＯＣＩりの強いピークと（ｈ ＯＯ
）の弱い回折ピークが現われ、はぼＣ軸配向の膜４であ
る６（ただし、上記Ｑ、ｈは１，２．３である。）続い
て、チタン酸鉛薄膜４上に上部電極としてクロム（Ｃｒ
）と金（Ａ ｕ ）を５ｍφのマスクを使って蒸着する
。その後、試料の温度を２００℃に保ちながら両電極間
に１００ Ｋ Ｖ ／ ａｎの直流電圧を約２０分間印
加し５分極処理を行う。
）の弱い回折ピークが現われ、はぼＣ軸配向の膜４であ
る６（ただし、上記Ｑ、ｈは１，２．３である。）続い
て、チタン酸鉛薄膜４上に上部電極としてクロム（Ｃｒ
）と金（Ａ ｕ ）を５ｍφのマスクを使って蒸着する
。その後、試料の温度を２００℃に保ちながら両電極間
に１００ Ｋ Ｖ ／ ａｎの直流電圧を約２０分間印
加し５分極処理を行う。
上記の方法で製作した圧電素子の感度をパルス二二−法
により測定する。すなわち１、両電極間にバースト波を
印加して超音波を発生させ、円柱状チタン酸ストロンチ
ウムの他方の端面から反射して帰ってくるエコー強度を
周波数０．１〜１．２ＧＨｚの範囲で測定する。これに
より得られた周波数特性から電気機械結合係数を計算す
ると、０．６０ の値が得られたにの値はセラミクスに
対する値（（１５０）を上回っており、チタン酸鉛をＣ
軸配向させたことの効果が現われている。
により測定する。すなわち１、両電極間にバースト波を
印加して超音波を発生させ、円柱状チタン酸ストロンチ
ウムの他方の端面から反射して帰ってくるエコー強度を
周波数０．１〜１．２ＧＨｚの範囲で測定する。これに
より得られた周波数特性から電気機械結合係数を計算す
ると、０．６０ の値が得られたにの値はセラミクスに
対する値（（１５０）を上回っており、チタン酸鉛をＣ
軸配向させたことの効果が現われている。
次のもう１つの形成例について述べる。上述した方法で
白金膜パターンを形成した後、高周波マグネトロンスパ
ッタ法によりチタン酸鉛薄膜を形成する。ただしスパッ
タリング条件は、導入ガス（Ａｒ９０％−０２１０％）
のガス圧を３Ｐａとし、基板温度を２００℃とする。Ｘ
線回折による評価を行ったところ、顕著な回折線は現わ
れず非晶質の膜であったので、６００℃で８時間の熱処
理を行ったところ、（００Ｑ）の強い回折線と（ｈ ０
０）の弱い回折線が現われたことから、Ｃ軸配向して結
晶化している。
白金膜パターンを形成した後、高周波マグネトロンスパ
ッタ法によりチタン酸鉛薄膜を形成する。ただしスパッ
タリング条件は、導入ガス（Ａｒ９０％−０２１０％）
のガス圧を３Ｐａとし、基板温度を２００℃とする。Ｘ
線回折による評価を行ったところ、顕著な回折線は現わ
れず非晶質の膜であったので、６００℃で８時間の熱処
理を行ったところ、（００Ｑ）の強い回折線と（ｈ ０
０）の弱い回折線が現われたことから、Ｃ軸配向して結
晶化している。
この方法では、高温でスパッタを行った場合に比べ結晶
性の優れたチタン酸鉛薄膜が得られるがＵ々ノＩメを厚
くすると多結晶化が起る。そこで、まず薄い非晶質膜を
熱処理して単結晶化した後、基板を高温に保って所望の
薄膜に達するまでスパッタリングを行えばよい。
性の優れたチタン酸鉛薄膜が得られるがＵ々ノＩメを厚
くすると多結晶化が起る。そこで、まず薄い非晶質膜を
熱処理して単結晶化した後、基板を高温に保って所望の
薄膜に達するまでスパッタリングを行えばよい。
実際にこの方法により素子を形成した。白金電極膜パタ
ーン上に、まず３００ｎｍのチタン酸鉛薄膜を非晶質膜
として形成し、６００℃で８時ｍ＋＋熱処理を行って単
結晶化させる。この後、基板温度５５０℃でスパッタリ
ングを１０時間行い、約３μｍのチタン酸鉛薄膜を形成
した。Ｘ線回折法により評価したところ、（ＯＯＱ）の
非常に強い回折線と（ｈｏｏ）の弱い回折線が現われた
。
ーン上に、まず３００ｎｍのチタン酸鉛薄膜を非晶質膜
として形成し、６００℃で８時ｍ＋＋熱処理を行って単
結晶化させる。この後、基板温度５５０℃でスパッタリ
ングを１０時間行い、約３μｍのチタン酸鉛薄膜を形成
した。Ｘ線回折法により評価したところ、（ＯＯＱ）の
非常に強い回折線と（ｈｏｏ）の弱い回折線が現われた
。
さらに上部電極を形成して分極処理を行い、前実施例と
同様の方法で素子の感度を評価し、電気機械結合係数を
求めたところ０．６５ という値を得た。この方法によ
りさらに高感度の素子が形成できる。
同様の方法で素子の感度を評価し、電気機械結合係数を
求めたところ０．６５ という値を得た。この方法によ
りさらに高感度の素子が形成できる。
上記実施例では単結晶基板としてチタン酸ストロンチウ
ムを用いたが、この他チタン酸鉛薄膜をエピタキシャル
成長させることが可能なＭｇＯ等の単結晶基板を用いて
も良い。また電極材としては、６００″Ｃ程度の温度に
耐える金属、例えばパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（
Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）などを
用いても良い。
ムを用いたが、この他チタン酸鉛薄膜をエピタキシャル
成長させることが可能なＭｇＯ等の単結晶基板を用いて
も良い。また電極材としては、６００″Ｃ程度の温度に
耐える金属、例えばパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（
Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）などを
用いても良い。
第２図は、上述と同様の方法で製作したアレー変換器の
平面図および断面図である。
平面図および断面図である。
第２図において、１１はチタン酸ストロンチウムの基板
、１２はグレーティング、１３は白金電極膜、１４はチ
タン酸鉛薄膜、１５は上部電極、１６はグレーティング
が形成されチタン酸ストロンチウムが部分的に露出した
部分、１７はグレーティングのない部分である。
、１２はグレーティング、１３は白金電極膜、１４はチ
タン酸鉛薄膜、１５は上部電極、１６はグレーティング
が形成されチタン酸ストロンチウムが部分的に露出した
部分、１７はグレーティングのない部分である。
アレー変換器を製作する場合は、まずチタン酸ストロン
チウムの基板１１面の部分１６で示す各領域に、上述と
同様にグレーティング１２を形成する。次にグレーティ
ング内に白金電極膜１３を蒸着しレジストを除去するこ
とにより、白金ｔ［４膜の埋め込まれた基板が形成され
る。この基板上にチタン酸鉛薄膜１４を形成すると、チ
タン酸ストロンチウムが部分的に露出した部分１６では
チタン酸鉛薄膜はＣ軸配向した単結晶膜となるが、グレ
ーティングのない部分１７上ではチタン酸鉛薄膜は無配
向の多結晶膜となる。ｃ＃Ｉ配向チタン酸鉛薄膜１６上
に上部電極１５を蒸；θし、その後分極処理を行えば、
部分１６のみが圧電活性となる。
チウムの基板１１面の部分１６で示す各領域に、上述と
同様にグレーティング１２を形成する。次にグレーティ
ング内に白金電極膜１３を蒸着しレジストを除去するこ
とにより、白金ｔ［４膜の埋め込まれた基板が形成され
る。この基板上にチタン酸鉛薄膜１４を形成すると、チ
タン酸ストロンチウムが部分的に露出した部分１６では
チタン酸鉛薄膜はＣ軸配向した単結晶膜となるが、グレ
ーティングのない部分１７上ではチタン酸鉛薄膜は無配
向の多結晶膜となる。ｃ＃Ｉ配向チタン酸鉛薄膜１６上
に上部電極１５を蒸；θし、その後分極処理を行えば、
部分１６のみが圧電活性となる。
上記のように製作した、Ｃ軸配向部（１つのニレメン１
〜）と無配向部を交互に配列した構造とすれば、各エレ
メントを独立に動作させることのできるアレー変換器が
得られる。
〜）と無配向部を交互に配列した構造とすれば、各エレ
メントを独立に動作させることのできるアレー変換器が
得られる。
以上説明したように、本発明によれば、チタン酸ストロ
ンチウム等の単結晶Ｊ＆板とにグレーティングを形成し
てその内部に白金電極を形成し、単結晶基板上から成長
するチタン酸鉛薄膜単結晶を横方向に成長させることに
より、白金電極股上にもＣ軸配向したチタン酸鉛を形成
でき、したがって圧電性の優れた素子を形成することが
可能である。またグレーティングおよび電極膜パターン
形状を工夫することによりアレー変換器も形成できる。
ンチウム等の単結晶Ｊ＆板とにグレーティングを形成し
てその内部に白金電極を形成し、単結晶基板上から成長
するチタン酸鉛薄膜単結晶を横方向に成長させることに
より、白金電極股上にもＣ軸配向したチタン酸鉛を形成
でき、したがって圧電性の優れた素子を形成することが
可能である。またグレーティングおよび電極膜パターン
形状を工夫することによりアレー変換器も形成できる。
第１図（８）、（ｂ）は、本発明の実施例を示す圧電素
子の外観および断面図、第２図は本発明の実施例になる
アレー変換器の平面図および断面図である。 １．１１・・・基板、２，１２・・・グレーティング、
３゜１３・・・白金（Ｐｔ）電極膜、４，１４・・・チ
タン酸鉛薄膜、５．１５・・・上部電極、１６・・・グ
レーティングのある部分、１７・・・グレーティングの
ない部分。
子の外観および断面図、第２図は本発明の実施例になる
アレー変換器の平面図および断面図である。 １．１１・・・基板、２，１２・・・グレーティング、
３゜１３・・・白金（Ｐｔ）電極膜、４，１４・・・チ
タン酸鉛薄膜、５．１５・・・上部電極、１６・・・グ
レーティングのある部分、１７・・・グレーティングの
ない部分。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、チタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ＿３、酸化マグ
ネシウムＭｇＯ等単結晶基板表面に形成されたグレーテ
ィング内を埋める下部電極を形成し、その上に圧電体の
薄膜を形成し、該圧電体上に上部電極を形成することを
特徴とする圧電素子。 ２、前記圧電体の主成分が、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ＿
８）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の圧電素子。 ３、前記下部電極に白金（Ｐｔ）を用いることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の圧電素子。 ４、基板表面にグレーティングを形成し、その内部に下
部電極を形成して、該基板上に圧電体の薄膜を高周波ス
パッタリング法により形成することを特徴とする圧電素
子の製造方法。 ５、上記高周波スパッタリングで形成した薄膜をさらに
熱処理したことを特徴とする第４項記載の圧電素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23932385A JPS62100099A (ja) | 1985-10-28 | 1985-10-28 | 圧電素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23932385A JPS62100099A (ja) | 1985-10-28 | 1985-10-28 | 圧電素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62100099A true JPS62100099A (ja) | 1987-05-09 |
Family
ID=17043006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23932385A Pending JPS62100099A (ja) | 1985-10-28 | 1985-10-28 | 圧電素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62100099A (ja) |
-
1985
- 1985-10-28 JP JP23932385A patent/JPS62100099A/ja active Pending
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