Annual Report No.29 2015 急冷プロセスを伴うスパッタ法で堆積した Si基板上のc軸配向単結晶チタン酸ジルコン酸鉛系薄膜 Highly c-Axis Oriented Monocrystalline Pb(Zr, Ti)O3 Based Thin Film on Si Wafer by Sputter Deposition with Fast Cooling Process H26海自40 派遣先 2014年 IEEE国際超音波学会（米国・シカゴ） 期 間 平成26年9月2日～平成26年9月8日（7日間） 申請者 東北大学 大学院 修士課程2年 半 澤 弘 明 まず、Si基板とPMnN-PZTの間の格子定数 海外における研究活動状況 の差を段階的に緩和するために、PMnN-PZT/ 研究目的 SrRuO3/LaSrCoO3/CeO2/YSZ/Siというバッファ 圧電MEMSセンサが広く用いられているが、 層構成にした。また、SiとPMnN-PZTの間の熱 その中でもジャイロセンサは様々な分野に用い 膨張係数の差による配向性劣化を抑制するた られている。このジャイロセンサを高性能化す めに、冷風での急速冷却を行った。成膜され るためには、良質なPZT薄膜が求められる。こ た薄膜は、X線回折によって結晶配向性を評価 のような圧電薄膜は、MgO基板上にはすでに成 した。その結果、90％程度のc軸配向PMnN- 膜が行われているが、MgO基板は高価であり加 PZTの成膜が確認された。その後、誘電率の 工も難しく、量産には向かない。そこで本研究 評価およびカンチレバーによる圧電定数の評価 では、このような高性能なPZT薄膜（c軸配向単 を行った。誘電率は250程度、圧電定数e 31 は 結晶）をSi基板上に成膜することを目的とする。 －14 C/m 2 程度の値を得ることができた。従来 先行研究で実証された急冷プロセスに加え、 の膜に比べて性能指数は向上しており、実デ MnやNbをドープすることで、性能の向上を目 バイスへの応用が期待される。 指す。また、DeepRIEやWetエッチング等、プ 以上の流れで発表を行った。私個人として ロセスを実際に行い、プロセスの実証を行う。 は、初めての学会参加という事で、非常に緊 張したが、何とか発表を終えることができた。 海外における研究活動報告 本派遣では、I E E E 国際超音波学会に参加 発表終了後には、質疑応答の時間があった。 をし、急冷プロセスを用いた、c軸配向単結晶 その内容としては、以下の2点があった。 PZT系薄膜のSi基板上へのスパッタリング成膜 ① 4μmより厚い膜を付けることは可能か。 についての発表を行った。発表形態は、口頭 ② 誘電率が小さい理由はなにか。 であり、12分間の発表と3分間の質疑応答を であった。それぞれに回答を行った。 行った。発表した研究内容について簡単に紹 ①に関しては、現在の所、4μm成膜に15時 介する。 間程度かかるため、必要以上に厚い膜は成膜 ─ 426 ─ The Murata Science Foundation していない。500nm、1μm、2μm、4μmと成膜 は興味深く、重要な要素であると考えられるた した経験からは、膜厚が大きくなるほど、c軸の め、次回の課題としたい。現在すでに、ヒー 割合は小さくなるが、4μmにおいても、75%程 ターと熱電対を用いたセットアップを構築し、 度のc軸割合が存在するため、おそらくそれ以 実験を開始しており、高キュリー点など、良 上厚い膜でも、c軸配向は成功すると考えられ 好な温度特性が観測されている。 るとお答えした。 他にも、非鉛系圧電材料についての発表も ②に関しては、薄膜中に欠陥や転位などが あり、非常に勉強になった。特にKNNの研究 存在する場合に誘電率が上がるという報告を についてのポスターセッションでは、村田製作 例に挙げ、本研究における薄膜では欠陥が少 所の研究者の方とお話しさせて頂き、KNNの ないため、誘電率が低いのではないかという内 現状について詳しく教えて頂いた。圧電材料 容をお答えした。 の評価方法について、これまで疑問だったこと を質問させて頂き、大変勉強になった。 また、発表終了後、意見交換を行った。そ の際に、②に対する追加の意見として、円形 以上のように、この学会では、口頭発表する キャパシタの電極面積が、誘電率測定用の電 ことを経験させて頂いたり、他の方々の発表を 極サイズよりも、実際は大きく見積もられてい 通して勉強させて頂いたりと、非常に有意義な る可能性があるとの言葉を頂いた。我々として 経験であった。今回の経験を生かして、さら は、500μmの円形白金電極を用いて、1～2μm に研究を進めていき、論文にまとめたり、企業 のPZT薄膜を挟み、キャパシタを作成している の方と連携をして実用化をしたりしていきたい。 ため、電極からの漏れの影響は極めて小さいと このような経験を援助頂いた貴財団には大 考えてきた。しかし、この影響は無視できない 変感謝をしております。 可能性もあり、シミュレーションを用いた補正 この派遣の研究成果等を発表した が必要であるとのことだった。次回の課題とし ては、FEMTETなどシミュレーションソフトを 用いて、実際に本効果の影響がどれほどあるか 著書、論文、報告書の書名・講演題目 ［学会プロシーディング］ Highly c-Axis Oriented Monocrystalline Pb（Zr, Ti）O3 Based Thin Film on Si Wafer by Sputter Deposition with を検討する。 Fast Cooling Process また、他の研究の中にも学ぶべき点が多々 存在した。その一つに、温度特性の調査であ る。圧電材料の発表はいくつか存在したが、 多くの発表の中で、キュリー点の測定や、誘 電率の温度依存性などを調査していた。実デ バイスに応用するにあたって、やはり温度特性 ［著者］ Hiroaki Hanzawa, Shinya Yoshida, Kiyotaka Wasa, Shuji Tanaka ［学会名］ 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium ─ 427 ─
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