論 博 士論文題 目 文 内 容 の 要 旨 結晶配 向強誘電体薄膜材料 の作製 と 焦電 ･圧電デバイス- の応用 に関す る研 究 氏 名 藤井 覚 ( 論文 内容 の要 旨) 鉛 系ベ ロブスカイト化合物 は､その優 れた強誘 電性 ､焦電性 ､圧電性から､不揮発 性メモリ､センサ､アクチュエータなど幅広い電子部 品に応 用されている｡PbTi O｡など は C軸方 向に大きな 自発分極を持っているため ､C軸方 向に配 向制御 した薄膜を作製 することにより､高性能なデバイスが実現できると考えられる また､Siウエハ上 に配 向 ｡ 制御 した薄膜材料 を形成することにより､半導体プロセス技術 を応 用して従来 にない 超小型なデバイスを実現できると期待される｡ 以上の考えのもと､本論文では､鉛 系ベ ロブスカイト薄膜材料 の分極軸方 向に配 向 制御 させる技術 と､この配 向膜 を用いて､超小型 ､高性 能な薄膜デバイスを量産 ､実 用化することを 目的としている｡ 第 1章では､まず ､強誘 電体薄膜材料 に関する既往 の研 究 ､およびこれをふまえた 上で配 向性 強誘 電体薄膜 とデバイス応用 に関する意義 と課題 についての議論を行い､ 本論文の 目的を示した｡ 第 2章では､デバイス応用を目的 に､S iを初 め種 々の低コスト基板上 に分極軸方 向 の C 軸 に配 向した Pbl_X La x Tl_Ⅹ / 4 03 ( PLT)薄膜を RF-マグネトロンスパッタ法 により作製 するため､Na Cl結 晶構造のバッファ層 の導入 と､成膜過程後 の冷却過程で発 生する 熱応 力の効果 による配 向制御 を検討 している｡その結果 ､C 軸配 向率はバッファ層 の 導入 および､基板 の熱膨 張係 数 の増加 に従って向上し､ステンレス基板では､C軸 に 配 向した膜が形成 できることを示した｡また､焦電特性も基板の熱膨 張係数 の増加 とと もに向上することを示した｡特 に､熱膨 張係 数の大きなステンレス基板上 において､単 結 晶 MgO 基板上 に作製したエピタキシャル膜 に匹敵する焦電係数を実現し､デバイ ス応用-の可能性 を示した｡ 第 3章では､優れた圧 電特性 が報告されている Pb( Zr , Ti ) 03 ( PZT) において､分極軸 方 向であるC軸 に高配 向した膜の作製を検討している｡まず ､単結 晶 MgO 基板上に C 軸配 向した PZT 薄膜を形成し､PZT 薄膜のみで構成された片持ち梁構造デバイスを 作製し､d｡1定数および膜の機械特性 の評価を行った結果 ､分極処理なしで､バルクと 同等の圧電定数であることを示し､圧 電薄膜デバイスの可能性を示した さらに､種 々 ｡ の基板上にバッファ層を形成して C軸配 向 PZT薄膜を作製し､電気および圧電特性 と 基板の熱膨 張係数の関係 を明らかにした｡この結果 ､圧電特性 は基板 の熱膨 張係数 の増加 とともに減少し､熱応力 に影響されることを明らかにした｡ 第 4章では､圧電薄膜アクチュエ-タ-の応用のために､PZT よりも圧電 d31定数が 高 い 薄 膜 材 料 の 開 発 を 目的 に ､PZT に複 合 ベ ロブ スカイトで ある PMN:Pb ( Mgl/｡ Nb2/3)03を固溶させた PMN-PZT 薄膜材料の作製を､ RF マグネトロンスパッタ 法により検討している｡その結果 ､Si上に C 軸配 向した PMN-PZT 薄膜が作製可能で あり､分極処理無しで PZT薄膜よりも50%も高い圧電 d31定数が得られることを示してい る｡この結果から､PMN-PZT 薄膜 は､インクジェット-ツドなどの薄膜アクチュエ-タの応用 に適した材料であることを明らかにしている｡ 001 ) 配 向し､自発分極した PLT薄膜を焦電マイクロデバイスに 第 5章では､高度 に( 応用し､8×64画素の2次元熱情報を得る焦電薄膜型熱画像センサシステムを開発し､ 001 ) エアコンの快適空 間制御 -実用化した結果 について述べている｡また､高度 に( 配 向し､自発分極した PZT 薄膜を圧電マイクロデバイスとして､主にカーナビゲーショ ンシステムや手プレ防止用途の音叉振動型角速度センサと､400ノズルを持つ-ツド を30-ツド配置した産業用インクジェットライン-ツドのアクチュエータの実用化 につい ても述べ ､自発分極した薄膜材料 により､小型 ･ 高性能なデバイスが実現できることを 示している｡ 第 6章では､本論文で得られたこのような結晶配 向性強誘電体薄膜材料および これを応用した焦電 ･ 圧電デバイスに関する知見の総括を行い､今後の課題 につい て提示を行っている｡ 以上の よ うに､本論文 では､高度 に結 晶配 向制御 した強誘 電体薄膜材料 の 種 々の作製制御技術 を開発 し､その焦電 ･圧電デバイス-の応用 について実際 に実用化 された例 を引用 して述べてお り､焦電 ･圧電デバイスの さらなる高性 能化が求 め られ る中､その開発指針 を示す ものであ り､大変有意義 な知見であ る と言 える｡ 氏 名 藤井 覚 ( 論文審査結果の要 旨) 鉛 系ベ ロブスカイト化合物 は､その優れた強誘電性 ､焦電性 ､･ 圧 電性から､不揮発性メモリ､セ ンサ､アクチュエータなど幅広 い電子部 品に応用されている｡P b Ti 03 などは C軸方 向に大きな 自発 分極を持っているため ､C 軸方 向に配 向制御 した薄膜 を作製することにより､高性 能なデバイスが 実現できる｡また､ S i ウエハ上 に配 向制御 した薄膜材料を形成することにより､半導体プロセス技術 を応用 して従来 にない超小型なデバイスを実現できると期待 される｡ 以上の考えのもと､本論文では､鉛 系ベ ロブスカイト薄膜材料の分極軸方 向に配 向制御 させる技 術 と､この配 向膜 を用 いて､超 小型 ､高性 能 な薄膜 デバイスを量産 ､実用化することを 目的として いる｡ 本論 文では､まず ､強誘電体材料を分極軸方 向に配 向させることの意義 について論 じた後 ､ s i な b l _ x La x Tl _ x / 4 03 ( P LT) 薄膜 を R Fマグネトロン どの低コスト基板 上 に分極軸方 向の C軸 に配 向した P スパッタ法 により作製を行っている｡その結果 ､C軸配 向率はバッファ層の導入 および､基板の熱膨 張係 数の増加 に従って向上し､特 に熱膨 張係 数 の大きいステンレス基板ではC軸 に配 向した膜 が 形成 できることを示 した｡また､焦電特性も基板 の熱膨 張係 数 の増加 とともに向上し､特 に熱膨 張 係数の大きなステンレス基板 上 において､単結 晶 Mg O基板 上 に作製 したエピタキシャル膜 に匹敵 する焦電係数を実現している｡ 次 に､優れた圧電特性 が報告されているP b ( Z r , Ti ) 03 ( P Z T) において､ Mg O基板上 に分極軸方 向 であるC軸 に高配 向した膜の作製を実現し､分極処理なしで､バルクと同等の圧電 d3 1 定数であるこ とを示し､圧 電薄膜デバイスの可能性を示 した｡さらに､種 々の基板 上 にバッファ層を形成 して C 軸 配向 P Z T薄膜を作製 し､圧電特性 は基板 の熱膨 張係数 の増加 とともに減少 し､熱応力 に大きく影 響されることを明らかにしている｡ 次 に､ RFマグネトロンスパッタ法を用 いて P ZTに複合ベ ロブスカイトであるP MN: P b( Mg l / 3 Nb 2 / 3 ) 03 を固溶 させた P MNP ZT薄膜材料の作製を検討 し､S i上 において C 軸配 向した P MNP Z T薄 膜 が作製 可能であり､分極処理無しで P Z T薄膜よりも 50%も高い圧 電 d 3 1 定数が得 られることを示 し ている｡ 次 に､高度 に( 001 ) 配 向し自発分極 した p L T 薄膜を焦電マイクロデバイスに応用 し､エアコンの 快適空 間制御 -実用化 した結果および ､ P ZT薄膜 を音叉振動型角速度センサや産業用インクジ ェットライン-ツドの圧電マイクロデバイス-の応用 について述 べ ､自発分極 した薄膜材 料 により､ 小型 ･ 高性能なデバイスが実現できることを示 している｡ 以上 の よ うに､本論 文 では､高度 に結 晶配 向制御 した強誘 電体薄膜材料 の作製制御技 術 の開発 とその焦電 ･圧 電デバイ ス- の応用 について､実際 に実用化 され た例 を引用 して 述べてお り､焦電 ･圧電デバイスの さらなる高性能化が求 め られ る中､大変有意義な知見 を得てい る｡よって審査委員一同は本論文が博士 ( 工学)の学位論文 として価値 あるもの と 認 めた｡
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