2013 Fiscal Year Annual Research Report

Si基板上への理想配向PZT系単結晶薄膜の形成とそのMEMSへの適用可能性の実証

Research Project

Project/Area Number	25286033
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	田中秀治東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00312611)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	吉田慎哉東北大学, 原子分子材料高等研究機構, 助教 (30509691)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords	チタン酸ジルコン酸鉛 / スパッタ成膜 / エピタキシャル成長 / 単結晶膜 / 誘電率 / 圧電定数 / シリコン基板
Research Abstract	圧電材料であるPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜は，MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）にとって最も重要な機能性薄膜である。本研究では，MEMS基板として最も一般的で産業的価値があるシリコン基板に，高い圧電定数と低い誘電率とを両立するPZT系単結晶膜を形成する技術を研究する。PZT薄膜をMEMSセンサ（たとえば，ジャイロ）に応用する場合，その性能指数は圧電定数の自乗を誘電率で除したものになるため，本研究が目指す技術を開発できれば，その応用的価値は非常に大きい。本年度は，シリコン基板にPZT単結晶膜を成長するため，格子定数を合わせる多層のバッファ層をパルスレーザー堆積法で形成し，その上にスパッタリング法によってPZTを成膜した。XRDやTEMで確認したところ，単結晶膜の成長を確認できた。また，600℃程度で正方晶PZTを成膜後，急速に基板を冷却すると，通常冷却であればa軸配向が優勢となるところ，ほぼc軸配向することを見出した。その結果，得られた膜は200～300程度と極めて低い誘電率を示した。また，得られたPZT膜を用いて，マクロモデルのカンチレバーを作製し，その変位から圧電定数を測定した。e31にして10C/m2以上と高い圧電定数を確認でき，上述の低い誘電率と合わせ，従来にない高い性能指数を得た。このようなPZT膜の成膜は，酸化マグネシウム等の特殊単結晶基板上では報告があるものの，産業的価値の高いシリコン基板上では初めてである。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason シリコン基板上に，スパッタ成膜で単結晶のPZT薄膜を成長すること，さらに，成膜後の急速冷却によって，通常，シリコン基板上ではa軸優先配向になる正方晶PZTが，理想的なc軸配向することを実証した。また，得られた膜が，期待した通り低い誘電率と高い圧電定数を両立することを確認し，そこから計算されるMEMSセンサとしての性能指数が従来になく高い値となった。
Strategy for Future Research Activity	平成26年度に，スパッタ成膜によるシリコン基板上への単結晶PZT薄膜の成長，および成膜後の急速冷却による結晶方向の制御を確認し，マクロモデルのカンチレバーによる圧電定数の測定も行った。今後は，当初の計画通り，第一に，得られたPZT膜にMEMS加工プロセスを施し，マイクロカンチレバー等のMEMS構造を作製し，それによって圧電定数を測定する。これによって，PZT膜がMEMS加工プロセスによって損傷を受けるかどうかがわかり，また，損傷がある場合，その解決策を研究する。最終的には，応用形態であるMEMS加工を施したPZT薄膜で，従来にない高性能を得ることを目指す。第二に，PZT薄膜に第3，第4の金属元素を加え，膜の高性能化を狙う。従来から，このようなドーピングによってPZT系膜が高性能を示すことが知られているが，この手法を，我々が開発したシリコン基板上への単結晶PZT薄膜のスパッタ成膜技術に適用し，より高い性能の圧電膜の創成を目指す。
Expenditure Plans for the Next FY Research Funding	成膜に用いたパルスレーザ堆積装置とスパッタ堆積装置が順調に動作し，それらのメインテナンスを今年度は先送りできた。また，本年度は，圧電膜の性能として既発表のものを超える値を実現することに注力し，途中成果を学会等で発表することを見送った。平成26年度以降は，PZT膜に対するMEMS加工を行うため，そのための費用がかかる上，成膜装置だけではなく，MEMS加工装置のメンテナンスにも費用がかかる。そのため，次年度使用額と合わせ，研究費を有効利用することができる。