SU850028A3

SU850028A3 - Piezoelectric crystalline film

Info

Publication number: SU850028A3
Application number: SU782632595A
Authority: SU
Inventors: Огава Тосио; Масио Тасуку; Нисияма Хироси
Original assignee: Мурата Мануфакчуринг Ко, Лтд (Фирма)
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1981-07-23

Description

1. Изобретение относитс к пьезоэлектрическим кристаллическим пле кам и может быть использовано в пр pax на пьезоэлектрической пленке, держащей окись цинка с шестиугольн кристаллической (решеткой) структу рой. Известна пьезоэлектрическа кри таллическа пленка, состо ща из кристаллической окиси цинка с Сосью 1 | . Недостатком известного устройст вл етс узкий частотный диапазон существовани пьезоэлектрического эффекта. Известна .также пьезоэлектрическ кристаллическа пленка, состо ща подложки и кристаллической окиси цинка с С-осью, перпендикул рной поверхности подложки 2. Недостаток известного устройств состоит в обеспечении пьезоэлектри ческого эффекта в узком диапазоне частот и использовании малых электромощностей. Цель изобретени - обеспечение пьезоэлектрического эффекта в. широ ком диапазоне от низких до высоких частот с-использованием высоких электромощностей. Поставленна цель достигаетс тем, что пьезоэлектрическа кристаллическа пленка дополнительно содержит 0,01-20,0 ат.% марганца, а ркись Zn - остальное,также тем, что пьезоэлектрическа кристаллическа пленка дополнительно содержит О,01-20,О ат. меди. Пьезоэлектрическа кристаллическа пленка может быть выполнена в соответствии с любым из обычных способов , таких как напыление радиочастотным способом,. . способами сораспылени , а также способами внедрени ионов. На фиг. 1 изображена схема устройства , используемого дл создани пьезоэлектрических кристаллических пленок способом р адиочастотного исполнени ; на фиг. 2 и 4 - снимки, выполненные на электронном микроскопе , обычных кристаллических пьезоэлектрических пленок на основе окиси цинка; на фиг. 3 и 5 - снимки, выполненные на электронном микроскопе, пьезоэлектрических кристаллических пленок. Устройство содержит кожух 1 в форме колокола, в котором ус.тановл ены два электрода, т.е. расположенi .n; мар.:1ллельно плоский катод 2 и :u OcKHii анод 3.1. The invention relates to piezoelectric crystal films and can be used in pp on a piezoelectric film holding a zinc oxide with a hexagonal crystal (lattice) structure. A piezoelectric crystal film is known, consisting of crystalline zinc oxide with sulfur 1 | . A disadvantage of the known device is the narrow frequency range of the piezoelectric effect. Also known is a piezoelectric crystalline film consisting of a substrate and crystalline zinc oxide with a C-axis perpendicular to the surface of the substrate 2. A disadvantage of the known devices is to provide a piezoelectric effect in a narrow frequency range and the use of small electric power. The purpose of the invention is to provide a piezoelectric effect. a wide range from low to high frequencies with the use of high electric power. This goal is achieved by the fact that the piezoelectric crystalline film additionally contains 0.01–20.0 at.% Manganese, and the oxide Zn the rest, also by the fact that the piezoelectric crystalline film additionally contains O, 01–20, O at. copper. The piezoelectric crystalline film can be made in accordance with any of the conventional methods, such as sputtering by the radio frequency method. . co-spray methods as well as ion implantation methods. FIG. Figure 1 shows a diagram of an apparatus used to create piezoelectric crystalline films by a method of radio frequency performance; in fig. 2 and 4 - electron microscopic images of ordinary crystalline zinc oxide-based piezoelectric films; in fig. 3 and 5 - pictures taken with an electron microscope of piezoelectric crystalline films. The device comprises a bell-shaped casing 1 in which two electrodes are mounted, i.e. locatedi .n; Mar.: 1 parallel flat cathode 2 and: u OcKHii anode 3.

На катоде 2 закреплена мишень 4, состо ща главным образом из керамики на основе окиси цинка, включающа MaiHiii и медгг;. Подложку б из или йеталла ша-гревают до температуры от 200 до во врем распылени . В колоколообразном кожухе предусмотрены отвод 7 и ввод 8 газа.A target 4 is fixed to the cathode 2, consisting mainly of zinc oxide-based ceramics, including MaiHiii and medgg ;. Substrate B from or metal is heated to a temperature of 200 to during spraying. A tap 7 and a gas inlet 8 are provided in the bell-shaped casing.

I диoчacтoтнoe напыление выполНЯ10Т следующим образом.I diode 10T spraying is carried out as follows.

После герметизации из колоколообраэного кожуха 1 через отвод 7 удл ют ra:j до давлени , не превьдиаю|дего 1x10 тор, а затем подают арго или кислород или смесь аргона и кислорода через анод 8, устанавлива /травление на уровне от 1x10 до 1x10-- тор. 1а катод 2 подают напр жение со скоростью изменени , соответствующей радиочастоте от электросилового источника 9. Мощность,создваема HQ мшиени 4, соответствует 2-8 Вт/см -.After sealing from the bell-shaped casing 1 through the outlet 7, ra: j is removed to a pressure not exceeding 1x10 torr, and then argon or oxygen or a mixture of argon and oxygen is fed through the anode 8, set / etched at 1x10 to 1x10-- torus 1a, the cathode 2 supplies a voltage with a rate of change corresponding to the radio frequency from an electric power source 9. The power generated by the HQ of the target 4 corresponds to 2-8 W / cm -.

, состо щую главным образо из серг1мики на основе окиси цинка с содержанием магни или из керамики с содержанием магни и меди, получают следующим образом,, consisting mainly of serum-based zinc oxide with a magnesium content or of ceramics with a magnesium and copper content, is prepared as follows,

Ис.пользу порошок; ZnO, МпСОт,(или МпО,) и Си как исходные материалы, приготовл ют смеси, кажда из которых имеет относительный пропорциональный состав, представленный в таблице. Каждую из смесей подвергают размалыванию влажным способом, просушивают, а затем подвергают предварительному спеканию при 600800С в течение 2 ч. Предварительно спеченный материал или агломерат разрушают, перемалывают влажным способом и с добавлением органического биндера или св зующего вещества,а зтем просушивают. Из полученного порошка путем прессовани формируют диски диаметром 100 мм и толщинойUse powder; ZnO, MpSOt, (or MpO,) and Cu as starting materials, mixtures are prepared, each of which has a relative proportional composition shown in the table. Each of the mixtures is subjected to wet grinding, dried, and then subjected to preliminary sintering at 600 ° C for 2 hours. The preliminary sintered material or agglomerate is destroyed, ground by a wet method and with the addition of an organic binder or binder, and dried. From the obtained powder, disks are formed by extrusion with a diameter of 100 mm and thickness

5мм под давлением 1000 кг/см, а затем подвергают обжигу при 1200с в течение 2 ч до получени мишеней. Образец 5 подвергают обжигу при температуре 1300-1400°С.5 mm under a pressure of 1000 kg / cm, and then subjected to firing at 1200 s for 2 h to obtain targets. Sample 5 is fired at a temperature of 1300-1400 ° C.

У получаемых таким образом мишеней определ ют сопротивление и отношение кажущейс плотности dS к теоретической плотности dt(dS/dt)х10 в процентах. Полученные результаты представлены в таблице.For the thus obtained targets, the resistance and the ratio of the apparent density dS to theoretical density dt (dS / dt) x10 in percent are determined. The results obtained are presented in the table.

На основе использовани соответствующих полученных мишеней на стекл нных , подложках изготавливают на упом нутом устройстве радиочастотного напылени пь€:зозлектрические кристаллические пленки. Радиочастотное напыление провод т в следующих услови х: смесь газа, состо щую на 90 об.% из аргона и 10 об.% из кислорода , подают в колоколообразный кожух 1 по вводу 8, при этом давление внутри кожуха установлено на уровне . от 1 до 2x10 тор. Стекл нную подложку нагревают до и выдерживают при этой температуре. Мощность, создаваема на мишени 4, составл етBased on the use of the corresponding obtained targets on glass substrates, they are made on the above-mentioned radio frequency sputtering device of the following: zo-electric crystalline films. The radiofrequency spraying is carried out in the following conditions: a gas mixture consisting of 90 vol.% Of argon and 10 vol.% Of oxygen is supplied to the bell-shaped case 1 through the inlet 8, while the pressure inside the case is set to a level. from 1 to 2x10 tor. The glass substrate is heated to and maintained at this temperature. The power generated on target 4 is

6Вт/см . За счет электросилового источника, работающего на частоте 13,56 МГц. .6W / cm Due to the electric power source operating at a frequency of 13.56 MHz. .

Ориентаци С-оси получаемых таким образом пьезоэлектрических кристалцлических пленок определена с помощью замыкающей кривой методом дифракции рентгеновских лучей.The orientation of the C-axis of the thus obtained piezoelectric crystalline films was determined using a closing curve by the X-ray diffraction method.

Среднее значение (х) и среднее квадратичное отклонение (б ) данного угла С-оси от оси получают в отношении поверхности подложки того или иного образца. Результаты представлены в таблице. Значени сопротивлений кристаллических пленок представлены также в таблице.The mean value (x) and standard deviation (b) of a given angle of the C-axis from the axis are obtained with respect to the surface of the substrate of one or another sample. The results are presented in the table. The resistance values of the crystalline films are also presented in the table.

8,6x10 3,1x10 6,.3x10 5, 9x1 о 8,9x10 3,7х1#8.6x10 3.1x10 6, .3x10 5, 9x1 about 8.9x10 3.7x1 #

10ten

4,3x10 l,2xlJ4,3x10 l, 2xlJ

Как видно из таблицы, предлагаемые кристаллические пленки имеют СQCb приблизительно перпендикул рную к поверхности подложки и большое значение сопротивлени . Предлагаемые пьезоэлектрические пленки, имеют большой коэффициент электротехнической св зи.As can be seen from the table, the proposed crystalline films have CQCb approximately perpendicular to the surface of the substrate and a large resistance value. The proposed piezoelectric films have a high electrical coupling coefficient.

Примей емый диапазон частот . при использовании пьезоэлектрических кристаллических пленок окиси цинка может быть вычислен путем определени fj. из упом нутого уравнени . Значени f , полученные дл образцов 3, 4, а.также дл образцов 6-8 лежат в пределах от 10 до 100. Таким образом частота, на которой могут работать предлагаемые пьезоэлектрические кристаллические пленк составл ет не менее 1 Гц. Это означает , что пьезоэлектрические кристаллические пленки могут быть использованы в широком диапазоне от низких до высоких частот и могут найти применение в низкочастотных генераторах колебаний, например в мниатюрных камертонах и электронных узлах с преломлением волны, наприме волновода.Applicable frequency range. using piezoelectric crystalline zinc oxide films can be calculated by determining fj. of the above equation. The values of f obtained for samples 3, 4, as well as for samples 6-8 are in the range from 10 to 100. Thus, the frequency at which the proposed piezoelectric crystalline films can operate is at least 1 Hz. This means that piezoelectric crystal films can be used in a wide range from low to high frequencies and can be used in low-frequency oscillators, for example, in miniature tuning forks and electronic nodes with wave refraction, such as a waveguide.

Образцы 1, 3, 5 и 7 сфотографированы с помощью сканирующего элекронного микроскопа с 1000-кратным увеличением. Нафиг. 2 представлен снимок, выполненный с помощью электронного микроскопа, образца 1; на фиг. 3 - образец 3, на фиг. 4 - образец 5, а на фиг. 5 - образец 7.Samples 1, 3, 5 and 7 were photographed using a scanning electron microscope with a 1000-fold magnification. Nafig 2 shows a photograph taken with an electron microscope, sample 1; in fig. 3 - sample 3, in FIG. 4 - sample 5, and in FIG. 5 - sample 7.

Обычные пьезоэлектрические кристаллические пленки обладают шероховатой поверхностью (фиг. 2 и 4), в то врем , как предлагаемые пьезоэлектрические кристаллические пленки обладают гладкой поверхностью (фиг. 3 и 5).Conventional piezoelectric crystal films have a rough surface (Fig. 2 and 4), while the proposed piezoelectric crystal films have a smooth surface (Fig. 3 and 5).

i В приведенных примерах, хот магний и медь применены в виде окислов однако возможно их использование и в других формах, например в виде соединений или сплавов магни и меди, если наперед заданные количества магни и меди войдут в получаемую пьезокристаллическую пленку, выполненную на основе окиси цинка. Концентраци магни и меди в оксидноцинковых пленках, выполненных напылением , составл ют 0,01 - 20,0 ат.% соответственно. Если и концентраци магни и концентраци меди равны менее 0,01 ат.%, то получаема поверхность такой кристаллической пленки вл етс шероховатой, а сопротивление становитс небольшим. Если концентраци магни или меди выше 20,0 ат.%, то направление кристаллографической ориентации пленок окиси цинка становитс плохо управл емой , что приводит к изменению Р гтону ухудшени ориентации пленок окиси цинка.i In the examples given, although magnesium and copper are used in the form of oxides, however, it is possible to use them in other forms, for example, in the form of compounds or alloys of magnesium and copper, if the predetermined amounts of magnesium and copper enter into the resulting zinc oxide-based piezocrystalline film . The concentration of magnesium and copper in the zinc oxide films made by sputtering is 0.01–20.0 at%, respectively. If both the magnesium concentration and the copper concentration are less than 0.01 at%, the resulting surface of such a crystalline film is rough and the resistance becomes small. If the concentration of magnesium or copper is higher than 20.0 at.%, Then the direction of the crystallographic orientation of the zinc oxide films becomes poorly controlled, which leads to a change in P τ of the deterioration of the orientation of the zinc oxide films.

Установлено, что при использовании мишени, содержащей магний при ii;jличии или отсутствии меди, могут . получены следующие преимущества.It has been established that when using a target containing magnesium in case of ii; either with or without copper, can. obtained the following benefits.

При массовом производстве пьезоэлектрических кристаллических пленок в промьшшенном масштабе способом напылени с помощью радиочастоты, необходимо iвеличивать скорость роста When mass production of piezoelectric crystalline films on an industrial scale by spraying using radio frequency, it is necessary to increase the growth rate

0 кристаллических пленок, В таком случае электроэнерги , подаваема на мишень на единицу ее площади, должна быть большей и в отношении самой мишени существует требование повышени 0 crystalline films. In this case, the electric power supplied to the target per unit of its area must be larger and there is a requirement for increasing the target itself.

5 кажущегос или насыпного веса этой мишени. Это требование полностью выполнено у мишени, содержащей магний и включающей или не включающей медь. Как видно из таблицы, предлагаемые 5 apparent or bulk weight of this target. This requirement is fully met at a target containing magnesium and with or without copper. As can be seen from the table proposed

0 мишени имеют насыпную или кажущуюс плотность выше, чем у обычно используемых мишеней, так что мишени, содержащие магний и включающие или не включающие медь, позвол ют осуществл ть массовое производство пьезо5 электрических кристаллических пленок с использованием высоких электромощностей .Targets have a bulk density or apparent density higher than that of commonly used targets, so targets containing magnesium and with or without copper allow mass production of piezo-5 electrical crystalline films using high electrical power.

Кроме того, следует yiHj i шать, что температура обжига при получении In addition, it should be yiHj i that the firing temperature upon receipt

0 мишеней обычным способом составл ет 1300-1400 0, включение же магни делает более низкой темпоратуру обжига магни , что облегчает производство мишеней и снижает при этом затраты.The 0 targets in the usual way are 1300-1400 0, while the inclusion of magnesium makes the roasting of magnesium lower, which facilitates the production of targets and reduces costs.

5five

Claims

1. A piezoelectric crystalline film consisting of crystalline zinc oxide with a C-axis perpendicular to the surface of the film, characterized in that, in order to provide a piezoelectric effect in a wide range from

5 low to high frequencies using high electric power / piezoelectric crystalline film additionally contains manganese, with the following ratios of components, at.%:

Magnesium 0. 01-20.00

Zinc oxide Else

2. The piezoelectric crystalline film according to claim 1, about tl and 5 is so that it contains an additional 0.01-20.0 pt. copper.

Sources of information taken into account in the examination

1. For Japan No. 50-23918,

0 cl. 62 SO, 1975..

2. For Japan No. 50-2.3917, cl. 62 WITH, 1975 (prototype).