強誘電体薄膜
【課題】高密度のメモリデバイスとして有用な強誘電体メソ結晶を基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の強誘電体薄膜およびその製造方法の提供。
【解決手段】各種基板上へスピンコーティングにより原料溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）し、その後、大気中で熱処理して規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製する。次に強誘電体前駆体溶液を合成し、この溶液中に珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置し、取り出した後、空気中で焼成することにより珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体メソ結晶が充填されてなる強誘電体担持薄膜を作製する。
【解決手段】各種基板上へスピンコーティングにより原料溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）し、その後、大気中で熱処理して規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製する。次に強誘電体前駆体溶液を合成し、この溶液中に珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置し、取り出した後、空気中で焼成することにより珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体メソ結晶が充填されてなる強誘電体担持薄膜を作製する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メソ結晶を基板に対して配向して規則正しく並んだ微細ドメイン構造を作成できれば、テラビット毎平方インチ級の新しいメモリデバイスなどとしての応用できることは知られている。しかしながら、従来の面方向に規則的に配列した微細ドメイン構造の強誘電体結晶の薄膜を作成する方法としては、強誘電体結晶の均一薄膜を形成後、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィーなどの光技術を応用したプロセス、いわゆる、トップダウンプロセスがあるが、このプロセスではメソ結晶サイズで配列した薄膜を作ろうとしても困難であった。また、気相成長により、メソ結晶を基板上に規則配列させる方法もあるが、複合化合物の場合には均一組成のものを形成することは難しく、汎用性がない。
【０００３】
【非特許文献１】Shigemi Kohiki et al,「Large frequency dependence of lowered maximum dielectric constant temperature of LiTaO３ nanocrystals dispersed in mesoporous sillicate」,Applied Physics Letters, Vol.82,No.23,2003,JUNE,9,p4134-4135
【特許文献１】特開２００３−２０５５００号公報、特許請求の範囲、〔００１１〕〜〔００１５〕、〔００２３〕
【非特許文献２】（１）Ogawa M.,Ishikawa H.,Kikuchi T., ”Preparation of Transparent Mesoporous Silica Films by a Rapid Solvent Evaporation Method”, J.Mater.Chem.,8, 1783-1786 (1998).（２）Ogawa M.,Kikuchi T.,”Preparation of Self-Standing Transparent Films of Silica-Surfactant Mesostructured Materials and the Conversion to Porous Silica Films”, Adv.Mater., 10, 1077-1080 (1998).
【０００４】
非特許文献１、及び特許文献１には、メソポーラスシリケート中に分散した誘電体、例えばＬｉＴａＯ３ナノ結晶において、最大誘電率定数温度の周波数依存性が観察されること、ナノ結晶はそのサイズが数ｎｍであることにより数十テラビット／平方インチの記録密度を有する情報ストレージ材料の有力候補となりうることが記載されている。しかしながら、誘電体メソ結晶を基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の誘電体薄膜を製造する技術については言及していない。また、非特許文献２には珪酸塩メソ多孔体の薄膜、六方配列したメソ多孔体の薄膜を製造する方法が記載されている。しかしながら、前記珪酸塩メソ多孔体の薄膜を誘電体メソ結晶の鋳型として利用することについては言及していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、前記高密度のメモリデバイスとして応用が考えられる強誘電体メソ結晶が基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の薄膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明１は、強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜であって、規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体結晶が充填されてなることを特徴とする強誘電体薄膜
【０００７】
発明２は、発明１の強誘電体薄膜において、前記強誘電体結晶がＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３のメソ結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
発明の効果として、特に注目されている強誘電性不揮発メモリー材料を規則正しく配列したＳｉＯ２メソ孔中に形成しているため、高密度、低電圧作動、書き込み後に元の状態に復元しないこと、ドットの一体化がし難いことが期待される構造材料が提供されたこと、及び前記材料が比較的簡単な方法により、安定に提供できたことを挙げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明をより詳細に説明する。
Ａ．均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜は、ケイ素の、メトキシ、エトキシ、ｉ−プロポキシなどのアルコキシド、界面活性剤、水、アルコール、酸などの触媒からなる出発溶液の組成、特に界面活性剤の種類により、細孔の径を制御することができる。
Ｂ．ソル−ゲル法により作られる材料は、最終製品に含まれる金属が単独の場合には安定的組成のものが得られるが、複数金属を含む強誘電体の結晶を生成させるためには原料に用いる金属を供給する化合物（複合アルコキシドなどの金属有機化合物）を選択する必要がある。
本発明においては、前記Ａ．で得られた細孔を鋳型として化学量論量組成の強誘電体の微結晶が形成できるように、金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトを前記鋳型に吸収させるソルを調製する原料として用いた。
生成される強誘電体材料としては、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＢａ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３などを挙げることができる。
【実施例１】
【００１０】
強誘電体特性評価測定機器
誘電率の周波数依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
誘電率の温度依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
ＦＥ−ＳＥＭ像（JSM-6320F，日本電子）
Ｘ線回折パターン（ガイガーフレックス2013，理学電機）
【００１１】
本発明の実施例１を具体的に示す。
Ａ．各種基板上への珪酸塩メソ多孔体薄膜の作製
１．テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）４．００３ｇ、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド（東京化成製、商品名Ｉ−０４５３）０．５３３ｇ、水４．０２０ｇ、１２Ｎ 塩酸０．１２５ｇ、エタノール４５．８９ｇを混合撹拌して，原料溶液を合成した。
２．各種基板上（石英ガラス、硼珪酸ガラス、マグネシア、サファイア、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉシリコンウエハー）に，２段階のスピンコーティングにより溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）した。その後、６００℃、１分間、大気中で熱処理した。スピンコートと焼成を５回繰り返して珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製した。得られた珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンを図1に示す。約２．８ｎｍの周期構造を示している。また、Ｐｔ上に形成された薄膜の断面ＦＥ−ＳＥＭ像を図２に示す。
【００１２】
Ｂ．前記Ａ．で作成した薄膜の珪酸塩メソ多孔中にタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）メソ結晶を生成・担持させた強誘電体薄膜の作製
金属リチウムを溶解したエタノール溶液にタンタルエトキシド（Ｔａ（ＯＥｔ）５）を溶解し、組成がＬｉ／Ｔａ＝１．０（モル比）で、０．１ｍｏｌ／ｋｇの濃度のＬｉ−Ｔａ前駆体溶液を合成した。この溶液中に先に作製した珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置した。取り出した後、６００℃、５分間、空気中で焼成してＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜を作製した。珪酸塩メソ多孔体薄膜のメソ孔は周期２．８ｎｍ、壁厚約１ｎｍであり、その中に１．８ｎｍφ程度のＬｉＴａＯ３メソ結晶が生成した。
また、図３は、比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性を測定したデータを示し、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜（△）は前記非特許文献１に示すＬｉＴａＯ３担持粉体を用いた試料（○）より高い誘電率を示した。このことは、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜が高密度の強誘電性不揮発メモリー材料としてより適していることを示すものである。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明で得られた強誘電体材料の薄膜は、高密度のメモリー材料として有望であり、前記材料の活用例として、ＦＥ−ＲＡＭに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンである
【図２】実施例１の珪酸塩メソ多孔体薄膜のＦＥ−ＳＥＭ像である
【図３】本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜の比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性の測定結果
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メソ結晶を基板に対して配向して規則正しく並んだ微細ドメイン構造を作成できれば、テラビット毎平方インチ級の新しいメモリデバイスなどとしての応用できることは知られている。しかしながら、従来の面方向に規則的に配列した微細ドメイン構造の強誘電体結晶の薄膜を作成する方法としては、強誘電体結晶の均一薄膜を形成後、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィーなどの光技術を応用したプロセス、いわゆる、トップダウンプロセスがあるが、このプロセスではメソ結晶サイズで配列した薄膜を作ろうとしても困難であった。また、気相成長により、メソ結晶を基板上に規則配列させる方法もあるが、複合化合物の場合には均一組成のものを形成することは難しく、汎用性がない。
【０００３】
【非特許文献１】Shigemi Kohiki et al,「Large frequency dependence of lowered maximum dielectric constant temperature of LiTaO３ nanocrystals dispersed in mesoporous sillicate」,Applied Physics Letters, Vol.82,No.23,2003,JUNE,9,p4134-4135
【特許文献１】特開２００３−２０５５００号公報、特許請求の範囲、〔００１１〕〜〔００１５〕、〔００２３〕
【非特許文献２】（１）Ogawa M.,Ishikawa H.,Kikuchi T., ”Preparation of Transparent Mesoporous Silica Films by a Rapid Solvent Evaporation Method”, J.Mater.Chem.,8, 1783-1786 (1998).（２）Ogawa M.,Kikuchi T.,”Preparation of Self-Standing Transparent Films of Silica-Surfactant Mesostructured Materials and the Conversion to Porous Silica Films”, Adv.Mater., 10, 1077-1080 (1998).
【０００４】
非特許文献１、及び特許文献１には、メソポーラスシリケート中に分散した誘電体、例えばＬｉＴａＯ３ナノ結晶において、最大誘電率定数温度の周波数依存性が観察されること、ナノ結晶はそのサイズが数ｎｍであることにより数十テラビット／平方インチの記録密度を有する情報ストレージ材料の有力候補となりうることが記載されている。しかしながら、誘電体メソ結晶を基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の誘電体薄膜を製造する技術については言及していない。また、非特許文献２には珪酸塩メソ多孔体の薄膜、六方配列したメソ多孔体の薄膜を製造する方法が記載されている。しかしながら、前記珪酸塩メソ多孔体の薄膜を誘電体メソ結晶の鋳型として利用することについては言及していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、前記高密度のメモリデバイスとして応用が考えられる強誘電体メソ結晶が基板表面に配向して規則正しく並んだ構造の薄膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明１は、強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜であって、規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体結晶が充填されてなることを特徴とする強誘電体薄膜
【０００７】
発明２は、発明１の強誘電体薄膜において、前記強誘電体結晶がＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３のメソ結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
発明の効果として、特に注目されている強誘電性不揮発メモリー材料を規則正しく配列したＳｉＯ２メソ孔中に形成しているため、高密度、低電圧作動、書き込み後に元の状態に復元しないこと、ドットの一体化がし難いことが期待される構造材料が提供されたこと、及び前記材料が比較的簡単な方法により、安定に提供できたことを挙げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明をより詳細に説明する。
Ａ．均一なナノサイズの規則的に配列した細孔が形成された薄膜は、ケイ素の、メトキシ、エトキシ、ｉ−プロポキシなどのアルコキシド、界面活性剤、水、アルコール、酸などの触媒からなる出発溶液の組成、特に界面活性剤の種類により、細孔の径を制御することができる。
Ｂ．ソル−ゲル法により作られる材料は、最終製品に含まれる金属が単独の場合には安定的組成のものが得られるが、複数金属を含む強誘電体の結晶を生成させるためには原料に用いる金属を供給する化合物（複合アルコキシドなどの金属有機化合物）を選択する必要がある。
本発明においては、前記Ａ．で得られた細孔を鋳型として化学量論量組成の強誘電体の微結晶が形成できるように、金属アルコキシド又は金属アセチルアセトナトを前記鋳型に吸収させるソルを調製する原料として用いた。
生成される強誘電体材料としては、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＢａ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３などを挙げることができる。
【実施例１】
【００１０】
強誘電体特性評価測定機器
誘電率の周波数依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
誘電率の温度依存性（インピーダンスアナライザ4192A, YHP）
ＦＥ−ＳＥＭ像（JSM-6320F，日本電子）
Ｘ線回折パターン（ガイガーフレックス2013，理学電機）
【００１１】
本発明の実施例１を具体的に示す。
Ａ．各種基板上への珪酸塩メソ多孔体薄膜の作製
１．テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）４．００３ｇ、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド（東京化成製、商品名Ｉ−０４５３）０．５３３ｇ、水４．０２０ｇ、１２Ｎ 塩酸０．１２５ｇ、エタノール４５．８９ｇを混合撹拌して，原料溶液を合成した。
２．各種基板上（石英ガラス、硼珪酸ガラス、マグネシア、サファイア、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉシリコンウエハー）に，２段階のスピンコーティングにより溶液を塗布（１段目、２０００回転、１０秒、２段目、４０００回転、３０秒）した。その後、６００℃、１分間、大気中で熱処理した。スピンコートと焼成を５回繰り返して珪酸塩メソ多孔体薄膜を作製した。得られた珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンを図1に示す。約２．８ｎｍの周期構造を示している。また、Ｐｔ上に形成された薄膜の断面ＦＥ−ＳＥＭ像を図２に示す。
【００１２】
Ｂ．前記Ａ．で作成した薄膜の珪酸塩メソ多孔中にタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）メソ結晶を生成・担持させた強誘電体薄膜の作製
金属リチウムを溶解したエタノール溶液にタンタルエトキシド（Ｔａ（ＯＥｔ）５）を溶解し、組成がＬｉ／Ｔａ＝１．０（モル比）で、０．１ｍｏｌ／ｋｇの濃度のＬｉ−Ｔａ前駆体溶液を合成した。この溶液中に先に作製した珪酸塩メソ多孔体薄膜の形成された基板をつけ込み、1日静置した。取り出した後、６００℃、５分間、空気中で焼成してＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜を作製した。珪酸塩メソ多孔体薄膜のメソ孔は周期２．８ｎｍ、壁厚約１ｎｍであり、その中に１．８ｎｍφ程度のＬｉＴａＯ３メソ結晶が生成した。
また、図３は、比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性を測定したデータを示し、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜（△）は前記非特許文献１に示すＬｉＴａＯ３担持粉体を用いた試料（○）より高い誘電率を示した。このことは、本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜が高密度の強誘電性不揮発メモリー材料としてより適していることを示すものである。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明で得られた強誘電体材料の薄膜は、高密度のメモリー材料として有望であり、前記材料の活用例として、ＦＥ−ＲＡＭに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の珪酸塩メソ多孔体薄膜のＸ線回折パターンである
【図２】実施例１の珪酸塩メソ多孔体薄膜のＦＥ−ＳＥＭ像である
【図３】本発明のＬｉＴａＯ３結晶担持薄膜の比誘電率の周波数（Ｈｚ）依存性の測定結果
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜であって、規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体結晶が充填されてなることを特徴とする強誘電体薄膜
【請求項２】
請求項１に記載の強誘電体薄膜において、前記強誘電体結晶がＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３のメソ結晶であることを特徴とする。
【請求項１】
強誘電体結晶からなる強誘電体薄膜であって、規則的に配列されたナノサイズの細孔からなる珪酸塩ナノ多孔質薄膜の細孔内に強誘電体結晶が充填されてなることを特徴とする強誘電体薄膜
【請求項２】
請求項１に記載の強誘電体薄膜において、前記強誘電体結晶がＢａＴｉＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３のメソ結晶であることを特徴とする。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２１４１８０（Ｐ２００８−２１４１８０Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９８４８（Ｐ２００８−２９８４８）
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【分割の表示】特願２００３−３９０４９８（Ｐ２００３−３９０４９８）の分割
【原出願日】平成１５年１１月２０日（２００３．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００３年８月３０日 社団法人 応用物理学会発行の「２００３年（平成１５年）秋季 第６４回応用物理学会学術講演会講演予稿集」に発表
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【分割の表示】特願２００３−３９０４９８（Ｐ２００３−３９０４９８）の分割
【原出願日】平成１５年１１月２０日（２００３．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００３年８月３０日 社団法人 応用物理学会発行の「２００３年（平成１５年）秋季 第６４回応用物理学会学術講演会講演予稿集」に発表
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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