JPS6369280A

JPS6369280A - 圧電素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPS6369280A
Application number: JP61211566A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kushida; 恵子櫛田; Hiroyuki Takeuchi; 裕之竹内; Kazumasa Takagi; 高木　一正; Kenzo Susa; 憲三須佐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-10
Filing date: 1986-09-10
Publication date: 1988-03-29

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、圧電素子及びその製造方法に関し、特に薄膜
圧電素子の圧電体を優れた圧電性を有するチタン酸鉛（
Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ○３）で形成するのに好適な圧電素子及
びその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）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を持
つことが知られている。また、チタン酸鉛の微細な単結
晶を用いた実験において、Ｃ軸方向に電気機械結合係数
が７０％を越えると報告されており、圧電素子、焦電素
子として使用するのに有望な材料である。

しかし、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｉ　）を実用的な大き
さに単結晶として製作することは困難であるので、現在
はそのセラミクスが使用されている。

ところがチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ　）をセラミクスに
したのでは、結晶軸がランダムな方向を向いた結晶粒の
集まりとなってしまい、Ｃ軸方向の自発分極及び圧電性
が大きいというチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）の特性を充
分活かせない。

上記のことは、薄膜として使用する場合も同様であり、
結晶軸の方向がランダムな多結晶薄膜では充分な特性は
期待できない、そこで対策としては格子定数の近い単結
晶基板を用いて、エビタキャル成長させる試みが行われ
ている。しかし、基板としては酸化されにくい数種の絶
縁物に限られているのが現状であるやチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　）薄膜を圧電素子あるいは
焦電素子として用いる場合には、下地に電極を設ける必
要がある。ところが導電性の高い物質でチタン酸鉛と格
子定数が近くしかも単結晶として入手しやすいものがな
い。そこで絶縁性単結晶板を用いて先ず電極膜を形成し
、その上に圧電性薄膜を形成して素子化する試みが行わ
れている。

例えば、特開昭５９−９３０００号に記載のように、酸
化マグネシウム（Ｍ　ｇ　Ｏ）単結晶基板上に電極とし
て白金（Ｐｔ）膜を（１００）配向させ、その電極上に
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ　）薄膜をＣ軸配向させてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、使用できる基板が限定されており、
素子の集積化、モノリシック構造を可能とするシリコン
（Ｓｉ）基板を使用することができなかった。

本発明の目的は、シリコン（Ｓｉ）基板上に圧電性の優
れた圧電素子を形成することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため２本発明の圧電素子はシリコン
（Ｓｉ）基板上にシリサイド膜を電極として形成し、該
シリサイド膜上にアルカリ土類金属フッ化物薄膜層を形
成し、該フッ化物薄膜層上に圧電体の薄膜を形成し、さ
らに上部電極を形成することに特徴がある。

〔作用〕

シリコン（Ｓｉ）と金属、例えばニッケル（Ｎｉ）、コ
バルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）。

タングステン（Ｗ）、白金（ｐｔ）ｔパラジウム（Ｐｄ
）等は反応して容易にシリサイドを形成することが知ら
れている。中でも、ニッケル（Ｎ　ｉ　Ｌコバルト（Ｃ
Ｏ）等、シリサイドの格子定数がＳｉのそれに等価的に
近い場合には、エピタキシャル膜の形成が可能である。

エピタキシャル・シリサイドは熱的に安定で、電気抵抗
も低く電極として十分使用可能である。しかも、ニッケ
ルシリサイド（Ｎ　ｉ　Ｓ　ｉ２）　ｔ　コバルトシリ
サイド（ＣｏＳｉ２）は第２図（ａ）に示したような原
子配列をしており、面心に位置するＮｉあるいはＣＯ原
子が形成する格子は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｘ　）の
（００１）面の格子（第２図（ｂ）とほぼ等しい。した
がって、シリサイド膜上にチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　
）をエピタキシャル成長させることにより、チタン酸鉛
（ＰｂＴｉＯａ　）のＣ軸方向の大きな圧電性。

焦電性を活かした構造の素子が形成される。

しかしながら、シリサイドは酸素（Ｑ２）と容易に反応
する。そこでシリサイド膜上にアルカリ土類金属フッ化
物薄膜層を設け、さらにチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　）
をエピタキシャル成長させる。

フッ化カルシウム（ＣａＦ２）ｔ　フッ化ストロンチウ
ム（ＳｒＦ２）等のフッ化物はニッケルシリサイド（Ｎ
ｉＳｉｚ　）と同じ結晶構造を持ち格子定数は非常に近
い（第２図（ｃ）。またこのフッ化物は絶縁物であるが
、薄膜を非常に薄くすれば素子形成上問題とならない。

以上のような順で形成されたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ
　）薄膜上に、さらに上部電極を形成することでチタン
酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ　）のＣ軸方向の圧電性、焦電性を
活かした構造の素子が形成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一の実施例を示す圧電
素子の平面図および断面図である。

素子を製作する場合、先ず基板１には円柱状（１０Ｉｍ
φｘｉＯｍ）の両端面を光学研磨したシリコンＳｉ　（
１００）板を用いる。このシリコン（Ｓｉ）基板を洗浄
した後電子ビーム蒸着により２０ｈｍのＮｉ膜を形成す
る。この後真空中で８００℃、１０分間熱処理を行う、
熱処理後の膜を反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）により評
価したところ、エビタキャル成長しているのが確認され
た。このシリサイド膜２表面をクリーニングした後、超
高真空中で電子ビーム蒸着によりフッ化カルシウム（Ｃ
ａＦ２）膜３を形成した。このフッ化カルシウム（Ｃａ
Ｆ２）膜はＮ１５ｉｚ上にエビタキャル成長しているこ
とがＲＨＥＥＤによる評価より確認された。次に圧電体
としてチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする簿膜
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。なお、圧電性を高めるために添加する他の微小成分
としては、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ
）などがある、スパッタリング条件は、基板温度が６０
０℃Ａ　ｒ−Ｏｘ　　（９０％−１０％）ガスの圧力が
３Ｐａ、スパッタリング時間が１０ｈであり、形成され
た膜の膜厚は３μｍである。

このチタン酸鉛薄膜をＸ線回折により評価したところ、
（００Ｑ）（７）強イ回折線ピークと（ｈＯＯ）の弱い
回折線ピークが現われ、はぼＣ軸配向した膜となってい
た。ただし、上記悲、ｈは１，２゜３である。続いて、
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜３上に、上部電極４と
してクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）を５ｍｍφのマスクを
使って蒸着する。

その後、試料の温度を１５０”Ｃに保ちながら、両電極
（２及び４）間に１００　Ｋ　Ｖ　／　ａｍの直流電界
を約２０分間印加し、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エコー法
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、円柱状シリコン（Ｓｉ）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。この実験で得ら
れた周波数特性から電気機械結合係数を計算すると０．
７０　　という値が得られた。これはチタン酸鉛（Ｐｂ
ＴｉＯａ　）セラミクスの結合係数の値（〜０．５）を
越えており、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）のＣ軸配向膜
を形成したことの効果が現われている。

また、上述したチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯｓ　）薄膜３の
スパッタリング条件を、ガス圧３Ｐａ、基板温度を２０
０℃として膜形成を行い、上述と同様に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
薄膜であった。そこで６００℃で８時間熱処理を行い、
再びＸ線回折による評価を行ったところ、（ＯＯｆｌ）
の強い回折線ピークと（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確認された。このこと
から、非晶質のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　）膜を形成
した後に一定条件下の熱処理を行うという方法によって
も、Ｃ軸配向チタン酸鉛薄膜３を形成することができる
。

上記の方法で形成されたチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）薄
膜３上に、上述と同様上部電極４を形成した後分極処理
を実施し、パルスエコー法により感度を測定して電気機
械結合係数を計算すると０．５８の値が得られた。

このことからも、エピタキシャルシリサイド膜を電極と
して形成した後フッ化物層をさらにエビタキャル成長さ
せることにより、その上に形成されたチタン酸鉛（Ｐｂ
ＴｉＯｓ　）４がＣ軸配向膜となるので、チタン酸鉛（
Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ３）セラミクスの電気機械結合係数
の値を越える圧電性の高い圧電素子を実現できる。

前記実施例においては、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ
ｚ　）を電極として形成したが、かわりにコバルトシリ
サイド（ＣｏＳｉｚ　）を形成することも可能である。

前記実施例と同様に洗浄したシリコン（Ｓｉ　　（１０
０））基板上に電子ビーム蒸着により２０ｈｍのコバル
ト（Ｇｏ）膜を形成した後、真空中において９００℃で
３０分間熱熱処理行う０反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）
によりこの膜を評価したところ、（１００）配向を示す
コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ２）である。さらにＣａ
Ｆ２薄膜チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）薄膜を前記実施例
と同様の方法で順次形成したところＣ軸配向したチタン
酸鉛薄膜である９以上述べたようにコバルトシリサイド
（ＣｏＳｉｚ　）も電極として使用可能である。

また、アルカリ土類金屑フッ化物層としてフッ化ストロ
ンチウム（ＳｒＦ２）も同様にして使用できる。前述の
実施例で作成したニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ２）　
、コバルトシリサイド（（：ｏＳｉｉ）表面を高真空中
でクリーニングした後、電子ビーム蒸着法によりフッ化
ストロンチウム（Ｓ　ｒ　Ｆｚ　）膜を形成する。この
ようにして得られたフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ’２
）ｉ！ＩはＲＨＥＥＤによりシリサイド膜上にエピタキ
シャル成長していることが確認された。さらにチタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯａ）膜を形成したところ、Ｃ軸配向して
成長した。したがって、フッ化物層としてはフッ化スト
ロンチウム（ＳｒＦ２）も使用可能である。

次に、超音波アレー変換器の実施例について述べる。第
３図（ａ）、（ｂ）は、アレー変換器の平面図および断
面図である。第３図において、２１はシリコン（Ｓｉ）
基板、２２はシリサイド膜、２３はアルカリ土類金属フ
ッ化物薄膜層、２４はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）薄膜
、２５は上部電極である。

アレー変換器は以下のようにして製作する。まずシリコ
ン（Ｓｉ）基板２１上にニッケル（Ｎｉ）またはコバル
ト（Ｇｏ）膜を形成する。熱処理によりシリサイド膜２
２を形成した後、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）または
フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）薄膜２３を形成する
。この薄謀上にリソグラフィ技術を用いてアレイ状のレ
ジストパターンを形成する。イオンシリングによりフッ
化物薄膜層、シリサイド膜層をエツチングした後レジス
トを除去し、フッ化物薄膜層で被覆された下部電極が形
成される。次に前記第１の実施例と同様の方法でチタン
酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　）薄膜２４を全面に形成する。さ
らに上部電極２５を全面に形成して１５０℃に昇温し上
下の電極間に１００Ｋ　Ｖ　／　ａｍの電界を印加して
分極処理を行えばシリサイド膜２２の上部のＰｂＴｉ０
ａ膜のみが圧電活性となる。

以上の手順により、各エレメント２６（下部電極で部分
化され、Ｃ軸配向チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ）膜の形成
された部分）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Ｓｉ基板上にエピ
タキシャルシリサイド膜を形成し、さらにフッ化物をエ
ピタキシャル成長させているので、その上に形成された
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）薄膜はＣ＠配向膜となる。

したがって、シリコン（Ｓｉ）基板上にも圧電性の優れ
たチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯａ　）薄膜を容易に形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一の実施例を示す
圧電素子の平面図および断面図、第２図（ａ）、（ｂ）
、（ｃ）は、それぞれシリサイド及びフッ化カルシウム
（ＣａＦ２）ｐフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）の原
子配列を示す図、第３図（ａ）、（ｂ）はアレー変換器
の平面図及び断面図である。１．２１・・・シリコン（Ｓｉ）基板、２，２２・・・
シリサイド薄膜、３，２３・・・アルカリ土類金属フッ
化物薄膜、４，２４・・・チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）
薄膜、５，１５・・・上部電極、１０・・・ニッケル（
Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）原子、１１・・・シリコ
ン（Ｓｉ）原子、１２・・・カルシウム（Ｃａ）または
ストロンチウム（Ｓ　ｒ）原子、１３・・・フッ素（Ｆ
）　ＪＪ’！子、１４・・・鉛（Ｐｂ）Ｊ！子、１５・
・・酸素（０）原子、１６・・・チタン（Ｔｉ）原子、
２６・・・アレー変換器のエレメント。１−ゝ＼

Claims

【特許請求の範囲】１、シリコン（Ｓｉ）単結晶板上にシリサイドが形成さ
れ、該シリサイド膜上にアルカリ土類金属フッ化物薄膜
層が形成され、該フッ化物薄膜層上に圧電体の薄膜が形
成され、さらに該圧電体上に上部電極が形成されている
ことを特徴とする圧電素子。２、前記シリサイド膜にニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ
＿２）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。３、前記シリサイド膜にコバルトシリサイド（ＣｏＳｉ
＿２）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、前記アルカリ土類金属フッ化物層がフッ化カルシウ
ム（ＣａＦ＿２）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。５、前記フッ化物層がフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ＿
２）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。６、前記圧電体の主成分が、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ＿
３）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。７、シリコン基板上に圧電体の薄膜を高周波スパッタリ
ング法によつて形成することを特徴とする圧電素子の製
造方法。８、前記圧電体の薄膜を高周波スパッタリング法によつ
て形成した後、熱処理することを特徴とする特許請求の
範囲第７項記載の圧電素子の製造方法。