强电介质薄膜及其制造方法技术

提供了一种强电介质薄膜，它是通过向添加了Ｌａ的钛酸铅中添加由能与氧原子进行６配位结合的Ｍｇ和Ｍｎ中选取的至少一种元素而形成的强电介质薄膜，在薄膜形成时赋予了高的Ｃ轴取向性，并且不需要象大晶体那样进行极化处理。它的制造方法是在ＭｇＯ单晶板９上预先通过溅射形成基底白金电极，然后将单晶板９置于基板加热器１０上。从真空室７内抽气，用基板加热器１０加热基板９，通过喷嘴１４向真空室７内通入作为溅射气体的Ａｒ和Ｏ↓［２］，保持高真空度。由高频电源８向靶１输入高频电功率其产生等离子体，从而在基板９上成膜。例如，可制造组成为［（１－ｘ）.Ｐｂ↓［１－ｙ］Ｌａ↓［ｙ］Ｔｉ↓［１－ｙ／４］Ｏ↓［３］＋ｘ.ＭｇＯ］（ｘ＝０. ０１～０. １０，ｙ＝０. ０５～０. ２５）的强电介质薄膜。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于热电型红外线检测元件和压电元件等的。所谓强电介质是指具有如下性质的物质，即在该物质自身中由于存在平行或反平行排列的永久偶极子，因此即使没有电场存在，也会产生自发极化，并且能够随外部电场而发生极向反转。很好地利用这种性质，就能将强电介质材料应用于热电型红外线检测元件、压电元件、利用电子光学特征的光调制器、非易失性存储器元件等各种电子元件中。作为具有代表性的强电介质材料，众所周知的有钙钛矿型结晶结构的氧化物，例如PbTiO3、Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)、PbZrXTi1-xO3(PZT)、BaTiO3等。其中，PbTiO3系的强电介质由于具有高的居里温度、大的热电系数、适度较小的介电常数以及小的介电损耗，因而有希望作为热电材料来使以往使用陶瓷材料的红外线敏感元件实用化。这种热电型红外线敏感元件能在室温下工作，具有不依赖于波长的优点。另外，即使是在热型红外线敏感元件中，在灵敏度、响应速度等方面也是非常好的。现在，用于红外线检测元件和压电元件的强电介质材料几乎都是多晶体的磁性，近年来随着电子元件的小型化，使用强电介质材料的电子元件也要求小型化。另外，热电元件越薄，其热容量越低，故灵敏度随之增加，由于对红外线检测元件的高性能和上述小型轻量化的要求，因此达到高灵敏度和高响应速度的强电介质单晶的薄膜化引起人们的关注。例如，使用C轴取向的PbTiO3系薄膜的热电型红外线敏感元件在J.Appl.Phys.，Vol.61，P.411(1987)中已有报导。另外，在特开昭59-138004号公报中提出了一种通过向PbTiO3中添加少量La2O3而使其性能指数改善了的强电介质薄膜。另外，在特开昭59-141427号公报中提出了一种通过向PbTiO3中添加少量MnO2而使其性能指数和介电损耗得到改善的强电介质薄膜。另外，在特开昭61-88403号公报中提出了一种通过在PbTiO3中适当选择Pb/Ti的摩尔比而达到具有高的电光学效果，并且有热电性、压电性的强介电性PbTiO3单一相薄膜。另外，在特开平3-245406号公报中提出了一种通过向PbTiO3中添加少量MgO而具有高的直流电阻率和高的热电系数的强电介质薄膜。然而，在上述各种先有技术的PbTiO3系材料的薄膜形成技术中，虽然在热电特性和压电特性以及比电阻、绝缘耐压和介电损耗方面获得了某种程度的改善，但尚未获得具有能完全满足需要的特性的薄膜。本专利技术的目的是解决上述先有技术的问题，提供一种能赋予高的C轴取向性，而且不需要象大晶体那样进行极化处理的。为了达到上述的目的，本专利技术的强电介质薄膜的特征在于，它是通过在添加了La的钛酸铅中，添加由能与氧原子进行6配位结合的Mg和Mn中选取的至少一种元素而形成的薄膜。在上述构成中，优先选择添加元素是Mg，薄膜的组成是[(1-x)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+x·MgO](x＝0.01～0.10，y＝0.05～0.25)。如果Mg及La的成分范围少于上述范围，则添加的效果不明显，相反，如果Mg及La的成分范围超过上述的范围，往往对结晶性、热电特性等诸特性带来不利的影响。另外，在上述构成中，优选的还有添加元素是Mn，薄膜的组成是[(1-z)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+z·MnO2](y＝0.05～0.25，z＝0.002～0.05)。如果Mg及La的成分范围少于上述范围，则添加的效果不明显，相反，如果Mg及La的成分范围超过上述的范围，往往对结晶性、热电特性等诸特性带来不利的影响。另外，在上述构成中，强电介质薄膜的晶相最好是钙钛矿单相，这样就能获得赋予特别高的C轴取向性而且不需要象大晶体那样进行极化处理的强电介质薄膜。另外，在上述构成中，强电介质薄膜的厚度最好是在100nm～10μm的范围内。如果强电介质薄膜的厚度小于100nm，则由于过薄而难以达到绝缘的效果，如超过10μm，则需要长的成膜时间，因此不实用。另外，在上述构成中，强电介质薄膜最好是不进行极化处理的薄膜(生长态薄膜)。按照以往的方法，通常必须在高温、高电场条件下对热电材料进行极化处理(转态处理)，然而，由于采用高温、高电场条件，会使薄膜产生变质或分解的危险。与此相反，本专利技术的薄膜不需要进行极化处理，所以能使薄膜保持稳定。再有，上述的生长态薄膜也可称为沉积态薄膜。另外，在上述构成中，在对强电介质薄膜进行X射线反射强度分析时，如果以(001)峰的高度(强度)作为I(001)、以I(100)峰的高度(强度)作为I(100)，并以α＝I(001)/{I(001)+I(100)}，那末上述强电介质薄膜的取向率α最好是在0.85≤α≤1.00的范围内。取向率α在0.85≤α≤1.00的范围内表示结晶相是高的C轴取向性。在已往的普通陶瓷的钛酸铅中，(101)为最强的峰，不可能使其在(001)方向上取向。另外，由于C轴方向是极化轴，而该薄膜具有C轴取向的性质，因此成膜后不需要进行极化处理(转态处理)。关于计算上述取向率α的方法，将在下面的实施例1中加以说明。取向率α依赖于La、Mg和Mn的添加量而改变，就Mg和Mn而言，Mg以x＝0.01-0.10为宜，Mn以z＝0.002-0.05为宜，取向率α达到最大时，Mg的范围是x＝0.02-0.04，Mn的范围是z＝0.005-0.02。反之，若Mg在x＝0.01-0.10范围之外，Mn在z＝0.002-0.05范围之外，则取向率α减小。另外，就La而言，其添加量越少，取向率α往往越大。另外，在上述的构成中，电介质薄膜最好具有夹持在2层电极之间的结构，这是为了用于热电型红外线敏感元件。在上述的构成中，强电介质薄膜最好能用于热电型红外线敏感元件的热电材料，因为它特别适合于这种用途。本专利技术的强电介质薄膜的制造方法是，在添加了La的钛酸铅中，添加能与氧原子进行6配位结合的Mg和Mn中选取的至少一种元素，形成强电介质薄膜，该方法的特征是，将预先用溅射法形成了基底白金电极的无机物单晶基板放置在基板加热器上，排除真空室内的气体，利用基板加热器对基板加热，向真空室内导入溅射气体，保持高真空度，用高频电源给靶施加高频电功率使产生等离子体，在基板上形成膜。用这种方法可以高效、合理地形成本专利技术的强电介质薄膜。在上述的方法中，溅射法的靶子的组成最好是从[(1-w)·{(1-x)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+x·MgO}+w·PbO]、和[(1-w)·{(1-x)(1-y)·PbO+(1-x)y/2·La2O3+(1-x)(1-y/4)·TiO2+x·MgO}+w·PbO](x＝0.01～0.10，y＝0.05～0.25，w＝0.05～0.40)中选取的至少一种化合物，而且靶数最好在1以上。这是为了形成本专利技术的组成的薄膜。另外，在上述的方法中，溅射法的靶子的组成最好是从[(1-w)·{(1-z)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+z·MnO2}+w·PbO]、和[(1-w)·{(1-z)(1-y)·PbO+(1-z)y/2·La2O3+(1-z)(1-y/4)·TiO2+z·MnO2}+w·PbO](y＝0.05～0.25，z＝0.002～0.05，w＝0.05～0.40)中选取的至少一种化合本文档来自技高网...

【技术保护点】
强电介质薄膜，其特征在于，它是在添加了Ｌａ的钛酸铅中，添加由能与氧原子进行６配位结合的Ｍｇ和Ｍｎ中选取的至少一种元素而形成的薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 1993-12-1 301411/931.强电介质薄膜，其特征在于，它是在添加了La的钛酸铅中，添加由能与氧原子进行6配位结合的Mg和Mn中选取的至少一种元素而形成的薄膜。2.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的添加元素是Mg，薄膜的组成为[(1-x)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+x·MgO](x＝0.01～0.10，y＝0.05～0.25)。3.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的添加元素是Mn，薄膜的组成为[(1-z)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+z·MnO2](y＝0.05～0.25，z＝0.002～0.05)。4.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的强电介质薄膜的结晶相为钙钛矿型单相。5.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的强电介质薄膜的厚度范围是100nm以上、1.0μm以下。6.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的强电介质薄膜是没有经过极化处理的薄膜(生长态薄膜)。7.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中，在对强电介质薄膜进行X射线衍射强度分析时，以(001)峰的高度(强度)作为I(001)，以I(100)峰的高度(强度)作为I(100)，以α＝I(001)/{I(001)+I(100)}时，上述强电介质薄膜的取向率α在0.85≤α≤1.00的范围内。8.权利要求1所述的强电介质薄膜，其中所说的强电介质薄膜具有被两层电极夹持着的结构。9.权利要求8所述的强电介质薄膜，其中所说的强电介质薄膜被用来作为热电型红外线传感器的热电材料。10.强电介质薄膜的制造方法，其特征在于，在添加了La的钛酸铅中加入由能与氧原子进行6配位结合的Mg和Mn中选取的至少一种元素，采用溅射法形成强电介质薄膜。11.权利要求10所述的强电介质薄膜的制造方法，其中，溅射法的靶的组成是从[(1-w)·{(1-x)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+x·MgO}+w·PbO]、和[(1-w)·{(1-x)(1-y)·PbO+(1-x)y/2·La2O3+(1-x)(1-y/4)·TiO2+x·MgO}+w·PbO](x＝0.01～0.10，y＝0.05～0.25，w＝0.05～0.40)か中选取的至少一种化合物，并且靶的数目是1以上。12.权利要求10所述的强电介质薄膜的制造方法，其中，溅射法的靶的组成是从[(1-w)·{(1-z)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+z·MnO2}+w·PbO]、和[(1-w)·{(1-z)(1-y)·PbO+(1-z)y/2·La2O3+(1-z)(1-y/4)·TiO2+z·MnO2}+w·PbO](y＝0.05～0.25，z＝0.002～0.05，w＝0.05～0.40)中选取的至少一种化合物，并且靶的数目是1以上。13.权利要求10所述的强电介质薄膜的制造方法，其中，溅射法的靶的组成是从下述(A)～(C)中选取的至少一种组合所构成的靶(A)从[(1-w)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+w·PbO]和[(1-w)·{(1-y)·PbO+y/2·La2O3+(1-y/4)·TiO2}+w·PbO](y＝0.05～0.25，w＝0.05～0.40)中选取的至少一种靶与从MgO和Mg中选取的至少一种靶这2种靶的组合;(B)从[(1-w)·{(1-x)·PbTiO3+x·MgO}+w·PbO]和[(1-w)·{(1-x)(PbO+TiO2)+x·MgO}+w·PbO](x＝0.01～0.10，w＝0.05～0.40)中选取的至少一种靶与La2O3靶这2种靶的组合;(C)从[(1-x)·Pb1-yLayTi1-y/4O3+x·MgO]和[(1-x)(1-y)·PbO+(1-x)y/2·La2O3+(1-x)(1-y/4)·TiO2+x·MgO]...

【专利技术属性】
技术研发人员：友泽淳，藤井觉，藤井映志，高山良一，小舟正文，藤井知，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]