強誘電体極薄膜の微視的構造とその電気的・光学的特性の研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450251
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 布下 正宏 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (70304160)
• 研究分担者: 鈴木 義彦 大阪府立産業技術総合研究所, 材料技術部, 部長(研究職) ; 徳田 崇 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助手 (50314539) ; 太田 淳 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教授 (80304161)
• キーワード: 強誘電体極薄膜 / チタン酸ジルコン酸鉛[PZT] / チタン酸ジルコン酸ランタン鉛[PLZT] / ペロブスカイト相 / 近接場光学顕微鏡(SNOM) / 原子間力顕微鏡(AFM) / X線回折 / ダイヤフラム型超音波マイクロセンサ

研究概要

平成12年度の研究実施計画に基づき、NAISTに導入された多元RFスパッター装置を用いて、昨年度に引き続きPZT薄膜の成膜と併行して新たに強誘電体PLZT薄膜[(Pb_<0.94>La_<0.06>)(Zr_<0.62>Ti_<0.38>)O_3]の成膜を行い、その成膜条件、熱処理条件を最適化し、透明かつ強誘電性を有するPLZT薄膜を実現できた。このPLZT薄膜に対して計画通りに研究を実施し、下記に記す幾つかの重要な知見を得た。
(1)Pt(400nm)/Ti(50nm)/SiO_2(石英ガラス)基板上に、RFスパッタ法を用いて(Pb,La)(Zr,Ti)O_3薄膜[PZT]を膜厚50nm、100nm、200nmに成膜し、大気雰囲気中で600℃、30分間熱処理した結果、X線回折によりペロブスカイト相の発達を観測し、原子間力顕微鏡(AFM)、P-Eヒステリシス測定、エリプソ測定を用いて、膜厚の大きい膜ほど熱処理により配向性のよいペロブスカイト相と結晶粒の発達が顕著であることを明らかにした。
(2)上記のPLZT薄膜に対して近接場光学顕微鏡(SNOM)観察を行った結果、膜厚の大きいほど、熱処理を施した膜ほど明白なSNOMコントラストの発現が確認でき、ペロブスカイト相の発達と強誘電性の発現に密接に関連した自発分極を反映しているものと結論した。またこれらのPLZT薄膜に上部電極を形成して直流電圧を印加したとき、そのSNOM観察には、その電圧の大きさに依存したSNOMコントラスト像が明白に観測された。
(3)膜厚2μm程度のPZT厚膜作製プロセスとして、成膜と熱処理を数回繰り返す、いわゆるマルチステップ成膜方式を採用して、表面クラックのない、配向性と電気絶縁性に優れ、P-Eヒステリシスも良好な強誘電体膜を得た。この厚膜を用いて、シリコンマイクロマシニングによりPZTダイヤフラム型超音波マイクロセンサを試作し、感度のよいセンサ実現の見込みを得た。
平成13年度には、PLZT薄膜の極薄(50nm以下)化による微視的構造とメゾスコピックな誘電特性、光学特性との関係を明らかにするとともに、その薄膜の電子ビーム、レーザビーム照射による改質機構を調べ、超高密度メモリ等のデバイス応用の検討を行う。これらの成果を総括し、学術雑誌や国際会議への発表を積極的に行う予定である。

研究成果

• [文献書誌] 笹川清隆 他: "反射型近接場光学顕微鏡による強誘電体薄膜の観察"近接場光学グループ第9回研究討論会予稿集. 6月号. 15-18 (2000)
• [文献書誌] T.Tokuda, et al.: "Observation of ferroelectric thin films using scanning near-field optical microscopy"Extended abstracts of the 19th Elctronic Materials Symposium. 63-64 (2000)
• [文献書誌] K.Sasagawa, et al.: "Effects of optical polarization in reflection-mode near-field optical microscopy"CLEO/Pacific Rim 2001. (to be presented.). (2001)
• [文献書誌] A.Teeramongkonrasmee, et al.: "Highly Oriented PZT Films Prepared by Multi-step Process"The Vacuum Society of Japan. (to be published.). (2001)
• [文献書誌] Xin-Shin Li, et al.: "Structural and electrical properties of highly oriented Pb(Zr,Ti)O3 thin films deposited by facing target sputtering"Sensors and Actuators. vol.82,No.1/3. 265-269 (2000)
• [文献書誌] Xin-Shin Li, et al.: "Characterization of Lead zirconate titanate thin films deposited by reactive sputtering"Thin Solid Films. vol.375,No.1/2. 267-270 (2000)
• [文献書誌] Xin-Shin Li, et al.: "Preparation and characterization of highly oriented Pb(Zr,Ti)O3 thin films with seeding titanium layer deposited at low temperature by facing target sputtering"Vacuum. vol.49,No.2/3. 800-805 (2000)