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

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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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thin film
grating
piezoelectric element
piezoelectric
electrode
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JP23932385A
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Keiko Kushida
恵子 櫛田
Hiroyuki Takeuchi
裕之 竹内
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Hitachi Ltd
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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。

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。
〔発明の背景〕
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
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。
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。
〔発明の目的〕
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。
〔発明の概要〕
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。
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) 。
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。
〔発明の実施例〕
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔発明の効果〕
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。
【図面の簡単な説明】
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。

Claims (1)

  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。
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