JP6502460B2 - Laminated substrate with piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element - Google Patents

Laminated substrate with piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element Download PDF

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Description

本発明は、圧電薄膜付き積層基板、圧電薄膜素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a laminated substrate with a piezoelectric thin film, a piezoelectric thin film element, and a method of manufacturing the same.

圧電体は、センサやアクチュエータ等の機能性電子部品に広く利用されている。圧電体の材料としては、鉛系材料、特に、組成式Pb(Zr1−xTi)Oで表されるPZT系の強誘電体が広く用いられている。PZT系の圧電体は、複数種の酸化物を焼結する焼結法により作製することが可能である。 Piezoelectric materials are widely used in functional electronic components such as sensors and actuators. As the material of the piezoelectric body, lead-based materials, in particular, ferroelectric PZT system represented by a composition formula Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 has been widely used. The PZT-based piezoelectric material can be manufactured by a sintering method in which a plurality of oxides are sintered.

近年、圧電体の薄膜化、高性能化が強く求められるようになっている。しかしながら、焼結法により作製した圧電体は、薄膜化によってその厚みが圧電体を構成する結晶粒の大きさ、例えば10μmに近づくと、特性の劣化が顕著となる。そこで、焼結法に変わる手法として、スパッタリング法等の薄膜技術を応用した新たな手法が研究されている。   In recent years, thin film formation and high performance of a piezoelectric body have been strongly demanded. However, when the thickness of the piezoelectric body produced by the sintering method approaches the size of crystal grains constituting the piezoelectric body, for example, 10 μm due to thinning, the characteristic deterioration becomes remarkable. Therefore, as a method to replace the sintering method, a new method to which a thin film technology such as a sputtering method is applied has been studied.

また、PZT系の圧電体は、鉛を60〜70wt%程度含有しており、公害防止の面等から好ましくない。現在、様々な鉛フリー圧電材料が研究されているが、その中に、組成式(K1−xNa)NbOで表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物(ニオブ酸カリウムナトリウム、以下、KNNともいう)がある(例えば、特許文献1,2参照)。KNNは、比較的良好な圧電特性を示し、鉛フリー圧電材料の有力候補として期待されている。 In addition, a PZT piezoelectric material contains about 60 to 70 wt% of lead, which is not preferable in terms of prevention of pollution and the like. At present, various lead-free piezoelectric materials are being studied, among them, alkali niobium oxides (potassium sodium niobate having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 , hereinafter, (Also referred to as KNN) (see, for example, Patent Documents 1 and 2). KNN exhibits relatively good piezoelectric properties and is expected to be a leading candidate for lead-free piezoelectric materials.

特開2007−184513号公報JP, 2007-184513, A 特開2008−159807号公報JP 2008-159807 A

本発明の目的は、アルカリニオブ酸化物を用いて製膜された圧電薄膜の膜特性を向上させることにある。   An object of the present invention is to improve the film characteristics of a piezoelectric thin film formed using alkaline niobium oxide.

本発明の一態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板が提供される。
According to one aspect of the invention:
A substrate, an electrode film formed on the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the electrode film;
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
There is provided a laminated substrate with a piezoelectric thin film comprising a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu in a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.

本発明の他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
フッ化水素を4.32mol/L、フッ化アンモニウムを10.67mol/Lの濃度でそれぞれ含むフッ素系エッチング液を用いてエッチングした際のエッチングレートが0.005μm/hr以下であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が300以上1000以下である圧電薄膜付き積層基板が提供される。
According to another aspect of the invention,
A substrate, an electrode film formed on the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the electrode film;
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
The etching rate is 0.005 μm / hr or less when etching is performed using a fluorine-based etching solution containing hydrogen fluoride at 4.32 mol / L and ammonium fluoride at a concentration of 10.67 mol / L,
Provided is a laminated substrate with a piezoelectric thin film having a dielectric constant of 300 or more and 1,000 or less when measured under a condition of a frequency of 1 kHz.

本発明のさらに他の態様によれば、
下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
A lower electrode film, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric thin film,
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
Provided is a piezoelectric thin film element including a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.

本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜の少なくとも一部を露出させた状態で、前記積層基板に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記積層基板のうち前記圧電薄膜を除く部位の少なくとも一部をエッチングする工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation, and from the group consisting of Mn and Cu Preparing a laminated substrate with a piezoelectric thin film containing the selected metal element at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less;
Supplying a fluorine-based etching solution to the laminated substrate in a state where at least a part of the piezoelectric thin film is exposed, and etching at least a part of a portion of the laminated substrate excluding the piezoelectric thin film;
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element is provided.

本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜上に形成された絶縁膜に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記絶縁膜の一部をエッチングして前記圧電薄膜の表面を露出させる際に、前記圧電薄膜をエッチングストッパとして作用させることで前記絶縁膜のエッチングの終点を制御する工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation, and from the group consisting of Mn and Cu Preparing a laminated substrate with a piezoelectric thin film containing the selected metal element at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less;
When supplying a fluorine-based etching solution to the insulating film formed on the piezoelectric thin film and etching a part of the insulating film to expose the surface of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film acts as an etching stopper Controlling the end point of the etching of the insulating film by
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element is provided.

本発明によれば、アルカリニオブ酸化物を用いて製膜された圧電薄膜の膜特性を向上させることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve the film characteristics of a piezoelectric thin film formed by using an alkali niobium oxide.

本発明の一実施形態における積層基板の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the laminated substrate in one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態における積層基板の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the laminated substrate in other embodiment of this invention. ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶構造を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the crystal structure of potassium sodium niobate. 本発明の一実施形態における圧電薄膜デバイスの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the piezoelectric thin film device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における圧電薄膜素子の製造工程の一工程を示す図である。It is a figure which shows 1 process of the manufacturing process of the piezoelectric thin film element in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における圧電薄膜素子の製造工程の一工程を示す図である。It is a figure which shows 1 process of the manufacturing process of the piezoelectric thin film element in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における圧電薄膜素子の製造工程の一工程を示す図である。It is a figure which shows 1 process of the manufacturing process of the piezoelectric thin film element in one Embodiment of this invention. (a)は圧電薄膜のエッチング耐性に関する評価結果を、(b)は圧電薄膜の絶縁性に関する評価結果を、(c)は圧電薄膜の比誘電率に関する評価を示す図である。(A) is a figure which shows the evaluation result regarding the etching tolerance of a piezoelectric thin film, (b) shows the evaluation result regarding the insulation of a piezoelectric thin film, (c) shows the evaluation regarding the dielectric constant of a piezoelectric thin film.

<第1実施形態>
以下、本発明の一実施形態について説明する。
First Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.

(1)積層基板の構成
図1に示すように、本実施形態の積層基板10は、基板1と、基板1上に製膜された下部電極膜2と、下部電極膜2上に製膜された圧電薄膜3と、圧電薄膜3上に製膜された上部電極膜4と、を備えた積層体として構成されている。
(1) Configuration of Laminated Substrate As shown in FIG. 1, the laminated substrate 10 of the present embodiment is deposited on a substrate 1, a lower electrode film 2 deposited on the substrate 1, and a lower electrode film 2. It is configured as a laminate including the piezoelectric thin film 3 and the upper electrode film 4 formed on the piezoelectric thin film 3.

基板1としては、熱酸化膜やCVD(Chemical Vapor Deposition)酸化膜等の表面酸化膜(SiO膜)1bが形成された単結晶シリコン(Si)基板1a、すなわち、表面酸化膜付きSi基板を好適に用いることができる。また、基板1としては、表面にSi(100)面やSi(111)面等が露出したSi基板1a、すなわち、表面酸化膜を有さないSi基板を用いることもできる。また、基板1としては、SOI(Silicon On Insulator)基板、石英ガラス(SiO)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、サファイア(Al)基板、ステンレス等からなる金属基板を用いることもできる。単結晶Si基板1aの厚さは例えば300〜1000μm、表面酸化膜1bの厚さは例えば100〜300nmとすることができる。 As the substrate 1, a single crystal silicon (Si) substrate 1a on which a surface oxide film (SiO 2 film) 1b such as a thermal oxide film or a CVD (Chemical Vapor Deposition) oxide film is formed, ie, a Si substrate with a surface oxide film It can be used suitably. In addition, as the substrate 1, it is also possible to use a Si substrate 1 a whose surface has an exposed Si (100) surface, Si (111) surface, etc. In addition, as the substrate 1, a metal substrate made of an SOI (Silicon On Insulator) substrate, a quartz glass (SiO 2 ) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, stainless steel or the like can be used. . The thickness of the single crystal Si substrate 1a can be, for example, 300 to 1000 μm, and the thickness of the surface oxide film 1b can be, for example, 100 to 300 nm.

下部電極膜2は、例えば、白金(Pt)を用いて製膜することができる。下部電極膜2は、単結晶膜や多結晶膜(以下、これらをPt膜とも称する)となる。Pt膜を構成する結晶は、基板1の表面に対して(111)面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、Pt膜の表面(圧電薄膜3の下地となる面)は、主にPt(111)面により構成されていることが好ましい。Pt膜は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜2は、Pt以外に、金(Au)やルテニウム(Ru)やイリジウム(Ir)等の各種金属、これらを主成分とする合金、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)やニッケル酸ランタン(LaNiO)等の金属酸化物等を用いて製膜することもできる。なお、基板1と下部電極膜2との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、酸化チタン(TiO)、ニッケル(Ni)等を主成分とする密着層6が設けられている。密着層6は、スパッタリング法、蒸着法等の手法を用いて製膜することができる。下部電極膜2の厚さは例えば100〜300nm、密着層6の厚さは例えば1〜20nmとすることができる。 The lower electrode film 2 can be formed, for example, using platinum (Pt). The lower electrode film 2 is a single crystal film or a polycrystalline film (hereinafter, these are also referred to as a Pt film). The crystals constituting the Pt film are preferably preferentially oriented in the (111) plane direction with respect to the surface of the substrate 1. That is, it is preferable that the surface of the Pt film (the surface to be the base of the piezoelectric thin film 3) be mainly composed of a Pt (111) surface. The Pt film can be formed using a method such as a sputtering method or an evaporation method. The lower electrode film 2 may be made of various metals such as gold (Au), ruthenium (Ru), iridium (Ir) and the like, alloys containing these as main components other than Pt, strontium ruthenate (SrRuO 3 ), lanthanum nickelate (LaNiO) It is also possible to form a film using a metal oxide such as 3 ). Between the substrate 1 and the lower electrode film 2, for example, titanium (Ti), tantalum (Ta), titanium oxide (TiO 2 ), nickel (Ni) or the like as a main component in order to enhance the adhesion thereof. An adhesion layer 6 is provided. The adhesion layer 6 can be formed into a film using methods, such as sputtering method and a vapor deposition method. The thickness of the lower electrode film 2 can be, for example, 100 to 300 nm, and the thickness of the adhesion layer 6 can be, for example, 1 to 20 nm.

圧電薄膜3は、例えば、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、ニオブ(Nb)を含み、組成式(K1−xNa)NbOで表されるアルカリニオブ酸化物、すなわち、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)を用いて製膜することができる。上述の組成式中の係数x[=Na/(K+Na)]は、0<x<1、好ましくは0.4≦x≦0.7の範囲内の大きさとする。圧電薄膜3は、KNNの多結晶膜(以下、KNN薄膜とも称する)となる。KNNの結晶構造は、図3に示すようなペロブスカイト構造となる。KNN薄膜を構成する結晶は、基板1の表面に対して(001)面方位に優先配向していることが好ましい。すなわち、KNN薄膜の表面(上部電極膜4の下地となる面)は、主にKNN(001)面により構成されていることが好ましい。基板1の表面に対して(111)面方位に優先配向させたPt膜上にKNN薄膜を直接製膜することで、KNN薄膜を構成する結晶を、基板1の表面に対して(001)面方位に優先配向させることが可能となる。例えば、KNN薄膜を構成する結晶群のうち80%以上の結晶を基板1の表面に対して(001)面方位に配向させ、KNN薄膜の表面のうち80%以上の領域をKNN(001)面とすることが可能となる。KNN薄膜は、スパッタリング法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ゾルゲル法等の手法を用いて製膜することができる。圧電薄膜3の厚さは例えば1〜5μmとすることができる。 The piezoelectric thin film 3 contains, for example, potassium (K), sodium (Na), niobium (Nb), and an alkali niobium oxide represented by a composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 , that is, potassium niobate It is possible to form a membrane using sodium (KNN). The coefficient x [= Na / (K + Na)] in the above composition formula is in the range of 0 <x <1, preferably 0.4 ≦ x ≦ 0.7. The piezoelectric thin film 3 is a polycrystalline film of KNN (hereinafter also referred to as a KNN thin film). The crystal structure of KNN is a perovskite structure as shown in FIG. The crystals constituting the KNN thin film are preferably preferentially oriented in the (001) plane orientation with respect to the surface of the substrate 1. That is, it is preferable that the surface of the KNN thin film (the surface to be the base of the upper electrode film 4) be mainly composed of the KNN (001) surface. By directly depositing a KNN thin film on a Pt film preferentially oriented in the (111) plane orientation with respect to the surface of the substrate 1, crystals constituting the KNN thin film are made to the (001) plane with respect to the surface of the substrate 1. It is possible to preferentially orient in the azimuth. For example, 80% or more of the crystal groups constituting the KNN thin film are oriented in the (001) plane orientation with respect to the surface of the substrate 1, and 80% or more of the surface of the KNN thin film is the KNN (001) plane It becomes possible to The KNN thin film can be formed using a method such as a sputtering method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, a sol-gel method, or the like. The thickness of the piezoelectric thin film 3 can be, for example, 1 to 5 μm.

圧電薄膜3は、例えば、マンガン(Mn)および銅(Cu)からなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の範囲内の濃度で含むことが好ましい。
この点については後述する。
The piezoelectric thin film 3 preferably contains, for example, a metal element selected from the group consisting of manganese (Mn) and copper (Cu) at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.
This point will be described later.

上部電極膜4は、例えば、Pt,Au,アルミニウム(Al),Cu等の各種金属やこれらの合金を用いて製膜することができる。上部電極膜4は、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法、金属ペースト法等の手法を用いて製膜することができる。上部電極膜4は、下部電極膜2のように圧電薄膜3の結晶構造に大きな影響を与えるものではない。そのため、上部電極膜4の材料、結晶構造、製膜手法は特に限定されない。なお、圧電薄膜3と上部電極膜4との間には、これらの密着性を高めるため、例えば、Ti,Ta,TiO,Ni等を主成分とする密着層が設けられていてもよい。上部電極膜4の厚さは例えば100〜1000nm、密着層を設ける場合にはその厚さは例えば1〜20nmとすることができる。 The upper electrode film 4 can be formed, for example, using various metals such as Pt, Au, aluminum (Al), Cu, etc., and alloys thereof. The upper electrode film 4 can be formed using a method such as a sputtering method, an evaporation method, a plating method, a metal paste method or the like. The upper electrode film 4 does not significantly affect the crystal structure of the piezoelectric thin film 3 as the lower electrode film 2 does. Therefore, the material, the crystal structure, and the film formation method of the upper electrode film 4 are not particularly limited. In order to enhance the adhesion between the piezoelectric thin film 3 and the upper electrode film 4, an adhesion layer containing, for example, Ti, Ta, TiO 2 , Ni, or the like as a main component may be provided. The thickness of the upper electrode film 4 can be, for example, 100 to 1000 nm, and when the adhesion layer is provided, the thickness can be, for example, 1 to 20 nm.

(2)圧電薄膜デバイスの構成
図4に、本実施形態における圧電薄膜デバイス30の概略構成図を示す。圧電薄膜デバイス30は、上述の積層基板10を所定の形状に成形して得られる圧電薄膜素子20と、圧電薄膜素子20に接続される電圧検出手段11aまたは電圧印加手段11bと、を少なくとも備えて構成される。
(2) Configuration of Piezoelectric Thin Film Device FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of the piezoelectric thin film device 30 in the present embodiment. The piezoelectric thin film device 30 includes at least a piezoelectric thin film element 20 obtained by forming the above-described laminated substrate 10 into a predetermined shape, and a voltage detection means 11 a or a voltage application means 11 b connected to the piezoelectric thin film element 20. Configured

電圧検出手段11aを、圧電薄膜素子20の下部電極膜2と上部電極膜4との間に接続することで、圧電薄膜デバイス30をセンサとして機能させることができる。圧電薄膜3が何らかの物理量の変化に伴って変形すると、その変形によって下部電極膜2と上部電極膜4との間に電圧が発生する。この電圧を電圧検出手段11aによって検出することで、圧電薄膜3に印加された物理量の大きさを測定することができる。この場合、圧電薄膜デバイス30の用途としては、例えば、角速度センサ、超音波センサ、圧カセンサ、加速度センサ等が挙げられる。   By connecting the voltage detection means 11 a between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 of the piezoelectric thin film element 20, the piezoelectric thin film device 30 can function as a sensor. When the piezoelectric thin film 3 is deformed with a change in some physical quantity, a voltage is generated between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 due to the deformation. The magnitude of the physical quantity applied to the piezoelectric thin film 3 can be measured by detecting this voltage by the voltage detection means 11a. In this case, examples of applications of the piezoelectric thin film device 30 include an angular velocity sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, and the like.

電圧印加手段11bを、圧電薄膜素子20の下部電極膜2と上部電極膜4との間に接続することで、圧電薄膜デバイス30をアクチュエータとして機能させることができる。電圧印加手段11bにより下部電極膜2と上部電極膜4との間に電圧を印加することで、圧電薄膜3を変形させることができる。この変形動作により、圧電薄膜デバイス30に接続された各種部材を作動させることができる。この場合、圧電薄膜デバイス30の用途としては、例えば、インクジェットプリンタ用のヘッド、スキャナー用のMEMSミラー、超音波発生装置用の振動子等が挙げられる。   By connecting the voltage application unit 11 b between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 of the piezoelectric thin film element 20, the piezoelectric thin film device 30 can function as an actuator. The piezoelectric thin film 3 can be deformed by applying a voltage between the lower electrode film 2 and the upper electrode film 4 by the voltage application means 11 b. By this deformation operation, various members connected to the piezoelectric thin film device 30 can be operated. In this case, examples of applications of the piezoelectric thin film device 30 include a head for an ink jet printer, a MEMS mirror for a scanner, and a vibrator for an ultrasonic wave generator.

(3)圧電薄膜中へのMn,Cu添加
上述したように、本実施形態における圧電薄膜3は、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の範囲内の濃度で含んでいる。
以下、これにより得られる効果について説明する。
(3) Addition of Mn and Cu to Piezoelectric Thin Film As described above, the piezoelectric thin film 3 in the present embodiment is 0.2 at% or more and 0.6 at% or less of a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu. Contains at concentrations within the range of
Hereinafter, the effects obtained by this will be described.

(a)圧電薄膜3中にMnやCuを上述の範囲内の濃度で添加することで、圧電薄膜3の絶縁性(リーク耐性)を向上させることが可能となる。例えば、圧電薄膜3中のCu濃度を0.2at%以上0.6at%以下とすることで、圧電薄膜3に対してその厚さ方向に25×10V/mの電界を印加した際におけるリーク電流密度を500μA/cm以下、好ましくは300μA/cm以下とすることが可能となる。また例えば、圧電薄膜3中のMn濃度を0.2at%以上0.6at%以下とすることでも、圧電薄膜3中のCu濃度を上述の範囲内とした場合と同様の絶縁性を得ることが可能となる。圧電薄膜3の絶縁性を向上させることで、上述の積層基板10を加工することで作製されるセンサやアクチュエータ等の圧電薄膜デバイス30の性能を高めることが可能となる。 (A) By adding Mn or Cu to the piezoelectric thin film 3 at a concentration within the above range, the insulation (leak resistance) of the piezoelectric thin film 3 can be improved. For example, by setting the Cu concentration in the piezoelectric thin film 3 to 0.2 at% or more and 0.6 at% or less, an electric field of 25 × 10 6 V / m is applied to the piezoelectric thin film 3 in the thickness direction. The leak current density can be 500 μA / cm 2 or less, preferably 300 μA / cm 2 or less. Further, for example, even when the Mn concentration in the piezoelectric thin film 3 is 0.2 at% or more and 0.6 at% or less, the same insulating properties as in the case where the Cu concentration in the piezoelectric thin film 3 is in the above range can be obtained. It becomes possible. By improving the insulation of the piezoelectric thin film 3, the performance of the piezoelectric thin film device 30 such as a sensor or an actuator manufactured by processing the above-described laminated substrate 10 can be enhanced.

(b)圧電薄膜3中にCuを上述の範囲内の濃度で添加することで、上述の絶縁性に加え、フッ素系エッチング液に対する耐性、すなわち、エッチング耐性を向上させることが可能となる。例えば、圧電薄膜3中のCu濃度を0.2at%以上0.6at%以下とすることで、フッ化水素(HF)を4.32mol/L、フッ化アンモニウム(NHF)を10.67mol/Lの濃度で含むバッファードフッ酸(BHF)溶液中に圧電薄膜3を浸漬させた際における圧電薄膜3のエッチングレートを、0.005μm/hr以下とすることができる。本発明者等は、上述の条件下で圧電薄膜3に対してBHF溶液を供給したところ、60分経過しても圧電薄膜3のエッチングは進行しないことを確認済みである。 (B) Adding Cu to the piezoelectric thin film 3 at a concentration within the above range makes it possible to improve the resistance to a fluorine-based etching solution, that is, the etching resistance, in addition to the above-described insulation. For example, by setting the Cu concentration in the piezoelectric thin film 3 to 0.2 at% or more and 0.6 at% or less, hydrogen fluoride (HF) is 4.32 mol / L and ammonium fluoride (NH 4 F) is 10.67 mol. When the piezoelectric thin film 3 is immersed in a buffered hydrofluoric acid (BHF) solution containing a concentration of / L, the etching rate of the piezoelectric thin film 3 can be made 0.005 μm / hr or less. When the present inventors supplied the BHF solution to the piezoelectric thin film 3 under the above-mentioned conditions, it has been confirmed that the etching of the piezoelectric thin film 3 does not proceed even after 60 minutes.

圧電薄膜3のエッチング耐性を向上させることで、例えば以下のようなメリットが得られる。   By improving the etching resistance of the piezoelectric thin film 3, for example, the following merits can be obtained.

例えば、図5(a)に示すように、単結晶Si基板1aの表裏面に表面酸化膜1b,1cがそれぞれ形成された基板1を用意し、表面側の表面酸化膜1b上に、密着層6、下部電極膜2および圧電薄膜3をこの順に製膜することで積層基板10を作製した後の処理について考える。この場合、図5(b)に示すように、BHF溶液等を用いて裏面側の表面電極膜1cをエッチングする処理が行われる場合がある。この処理を行う際、圧電薄膜3のエッチング耐性を上述のように高めることで、圧電薄膜3の露出面3aを保護するための保護膜を形成する必要がなくなり、加工プロセスを簡素化させることが可能となる。   For example, as shown in FIG. 5A, a substrate 1 having surface oxide films 1b and 1c formed respectively on the front and back surfaces of a single crystal Si substrate 1a is prepared, and an adhesion layer is formed on the surface oxide film 1b on the surface side. 6. A process after manufacturing the laminated substrate 10 by forming the lower electrode film 2 and the piezoelectric thin film 3 in this order will be considered. In this case, as shown in FIG. 5B, a process of etching the surface electrode film 1c on the back side may be performed using a BHF solution or the like. When performing this processing, by increasing the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 as described above, there is no need to form a protective film for protecting the exposed surface 3 a of the piezoelectric thin film 3, and the processing process can be simplified. It becomes possible.

また例えば、図6(a)に示すように、単結晶Si基板1a、BOX層(SiO層)1eおよびSi層1fがこの順に積層されてなるSOI基板の表面に表面酸化膜1bが形成された基板1を用意し、表面酸化膜1b上に、密着層6、下部電極層2および圧電薄膜3をこの順に製膜することで積層基板10を作製し、その後、単結晶Si基板1aの一部をDeep−RIEまたはウエットエッチングによって除去した後の処理について考える。この場合、図6(b)に示すように、Si層1fの裏面側に取り残されたBOX層1eの一部をBHF溶液等を用いて除去する処理が行われる場合がある。この処理を行う際にも、圧電薄膜3のエッチング耐性を上述のように高めることで、圧電薄膜3の露出面3aを保護するための保護膜を形成する必要がなくなり、加工プロセスを簡素化させることが可能となる。 For example, as shown in FIG. 6A, a surface oxide film 1b is formed on the surface of an SOI substrate in which a single crystal Si substrate 1a, a BOX layer (SiO 2 layer) 1e and a Si layer 1f are laminated in this order. The laminated substrate 10 is prepared by forming the adhesion layer 6, the lower electrode layer 2 and the piezoelectric thin film 3 in this order on the surface oxide film 1b, and then forming a single crystal Si substrate 1a. Consider the processing after the part is removed by Deep-RIE or wet etching. In this case, as shown in FIG. 6B, processing may be performed to remove a part of the BOX layer 1e left behind on the back surface side of the Si layer 1f using a BHF solution or the like. Also when performing this processing, by increasing the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 as described above, it is not necessary to form a protective film for protecting the exposed surface 3a of the piezoelectric thin film 3, and the processing process is simplified. It becomes possible.

また例えば、図7(a)に示すように、パターニング後の圧電薄膜3上に絶縁膜(SiO膜)7とエッチングマスク7mとをこの順に形成した後の処理について考える。この場合、図7(b)に示すように、上部電極膜4の製膜領域を露出させるために、BHF溶液等を用いて絶縁膜7の一部をエッチングする処理が行われる場合がある。この処理を行う際、絶縁膜7の下地である圧電薄膜3のエッチング耐性を上述のように高めることで、圧電薄膜3をエッチングストッパとして機能させることができ、エッチング処理の終点を精度よく制御することが可能となる。また、エッチャントとしてフッ化水素(HF)ガス等のエッチングガスよりもエッチング力の強いBHF溶液等を用いることができ、エッチング処理の効率を高めることも可能となる。また、BHF溶液等を用いてウエットエッチングを行った場合であっても、エッチング処理に伴う圧電薄膜3のエッチングダメージを抑制することが可能となる。 Also, for example, as shown in FIG. 7A, the processing after forming the insulating film (SiO 2 film) 7 and the etching mask 7m in this order on the piezoelectric thin film 3 after patterning will be considered. In this case, as shown in FIG. 7B, in order to expose the film formation region of the upper electrode film 4, a process of etching a part of the insulating film 7 using a BHF solution or the like may be performed. When performing this process, the piezoelectric thin film 3 can be made to function as an etching stopper by enhancing the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 which is the base of the insulating film 7 as described above, and the end point of the etching process is accurately controlled. It becomes possible. Further, a BHF solution or the like having a stronger etching power than an etching gas such as hydrogen fluoride (HF) gas can be used as an etchant, and the efficiency of the etching process can be enhanced. In addition, even when wet etching is performed using a BHF solution or the like, it is possible to suppress the etching damage of the piezoelectric thin film 3 accompanying the etching process.

なお、上述したエッチング耐性の向上効果は、圧電薄膜3中にCuを添加させた際に特に顕著に得られるものの、圧電薄膜3中にMnを添加させた際には得られにくい特性がある。この特性を利用することで、圧電薄膜3の絶縁性を高めつつ、圧電薄膜3のエッチング耐性を適正に微調整することも可能となる。例えば、圧電薄膜3中にMnおよびCuの両方を上述の範囲内の濃度で添加し、MnおよびCuの合計濃度に対するCu濃度の比率(Cu/Mn+Cu)を1に近づけることで、圧電薄膜3の絶縁性を上述のように高めつつ、エッチング耐性を高めるように制御することが可能となる。また例えば、上述の比率(Cu/Mn+Cu)を0に近づけることで、圧電薄膜3の絶縁性を上述のように高めつつ、エッチング耐性の増加を適正に抑制するように制御することも可能となる。   The effect of improving the etching resistance described above can be obtained particularly remarkably when Cu is added to the piezoelectric thin film 3, but is difficult to obtain when Mn is added to the piezoelectric thin film 3. By utilizing this characteristic, it is also possible to appropriately finely adjust the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 while enhancing the insulation of the piezoelectric thin film 3. For example, by adding both Mn and Cu to the piezoelectric thin film 3 at a concentration within the above range, the ratio of the Cu concentration to the total concentration of Mn and Cu (Cu / Mn + Cu) approaches 1 to make the piezoelectric thin film 3 It is possible to control to enhance the etching resistance while enhancing the insulation as described above. Further, for example, by bringing the above ratio (Cu / Mn + Cu) close to 0, it is possible to control so as to appropriately suppress the increase in etching resistance while enhancing the insulation of the piezoelectric thin film 3 as described above. .

(c)圧電薄膜3中にMnやCuを上述の範囲内の濃度で添加することで、圧電薄膜3の比誘電率を、センサやアクチュエータ等の用途に好適な大きさとすることが可能となる。例えば、圧電薄膜3中のCu濃度を0.2at%以上0.6at%以下とすることで、周波数1kHz、±1Vの条件下で測定した圧電薄膜3の比誘電率を1000以下とすることが可能となる。また例えば、圧電薄膜3中のMn濃度を0.2at%以上0.6at%以下とすることでも、圧電薄膜3の比誘電率を1000以下とすることが可能となる。 (C) By adding Mn or Cu to the piezoelectric thin film 3 at a concentration within the above range, the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 can be made suitable for applications such as sensors and actuators. . For example, by setting the Cu concentration in the piezoelectric thin film 3 to 0.2 at% or more and 0.6 at% or less, the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 measured under the conditions of 1 kHz frequency and ± 1 V is 1000 or less. It becomes possible. Further, for example, by setting the Mn concentration in the piezoelectric thin film 3 to 0.2 at% or more and 0.6 at% or less, the dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 can be set to 1000 or less.

(d)このように、圧電薄膜3中にMnやCuを上述の濃度範囲で添加することで、圧電薄膜3の膜特性を向上させることが可能となる。すなわち、圧電薄膜3の絶縁性を高め、また、圧電薄膜3の比誘電率を適正な大きさとすることが可能となる。また、圧電薄膜3中にCuを上述の濃度範囲で添加することで、上述の効果に加え、圧電薄膜3のエッチング耐性を高めることも可能となる。また、圧電薄膜3中にMnおよびCuの両方を上述の濃度範囲で添加することで、上述の効果を得ながら、圧電薄膜3のエッチング耐性を適正に微調整することも可能となる。 (D) As described above, by adding Mn or Cu to the piezoelectric thin film 3 in the above-described concentration range, the film characteristics of the piezoelectric thin film 3 can be improved. That is, the insulation of the piezoelectric thin film 3 can be enhanced, and the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 can be made to have an appropriate size. In addition to the above-described effects, the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 can be enhanced by adding Cu to the piezoelectric thin film 3 in the above-described concentration range. Further, by adding both Mn and Cu to the piezoelectric thin film 3 in the above-described concentration range, it is possible to appropriately finely adjust the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 while obtaining the above-described effect.

以上の効果をバランスよく同時に得るには、圧電薄膜3中におけるMnやCuの濃度を0.2at%以上0.6at%以下とする必要がある。後述するように、圧電薄膜3中におけるMnおよびCuの合計濃度が0.2at%未満となると、上述した絶縁性に関する効果が得られなくなる場合がある。また、圧電薄膜3中におけるCu濃度が0.2at%未満となると、上述したエッチング耐性に関する効果が得られなくなる場合がある。また、圧電薄膜3中におけるMnおよびCuの合計濃度が0.6at%を超えると、圧電薄膜3の比誘電率が過大となり、センサに適用された際に感度の低下を招いたり、アクチュエータに適用された際に消費電力の増加を招いたりする場合がある。これは、MnやCuの添加量の増加に伴い、圧電薄膜3を構成する結晶を基板1の表面に対して(001)面方位に優先配向させることが困難となることが一つの理由として考えられる。   In order to obtain the above effects simultaneously in a balanced manner, the concentration of Mn and Cu in the piezoelectric thin film 3 needs to be 0.2 at% or more and 0.6 at% or less. As described later, when the total concentration of Mn and Cu in the piezoelectric thin film 3 is less than 0.2 at%, the above-described effect on the insulation may not be obtained. When the Cu concentration in the piezoelectric thin film 3 is less than 0.2 at%, the above-described effect on the etching resistance may not be obtained. In addition, when the total concentration of Mn and Cu in the piezoelectric thin film 3 exceeds 0.6 at%, the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 becomes excessive, causing a decrease in sensitivity when applied to a sensor, or applied to an actuator When this happens, it may cause an increase in power consumption. This is considered to be one of the reasons that it is difficult to preferentially orient the crystal constituting the piezoelectric thin film 3 with respect to the surface of the substrate 1 in the (001) plane orientation as the addition amount of Mn and Cu increases. Be

(4)変形例
本実施形態は上述の態様に限定されず、例えば以下のように変形することもできる。
(4) Modifications The present embodiment is not limited to the above-described aspect, and may be modified as follows, for example.

例えば、圧電薄膜3中におけるMuやCuの濃度を0.2at%以上0.25%以下としてもよい。この場合、絶縁性やエッチング耐性について上述の効果を得ながら、圧電薄膜3の比誘電率を上述の範囲内で低下させることが可能となる。例えば、周波数1kHz、±1Vの条件下で測定した圧電薄膜3の比誘電率を、300〜400の範囲内の大きさとすることが可能となる。このように構成された積層基板10は、低誘電率が求められる高感度センサ等の用途に特に好適に用いることができる。   For example, the concentration of Mu or Cu in the piezoelectric thin film 3 may be 0.2 at% or more and 0.25% or less. In this case, it is possible to lower the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 within the above-described range while obtaining the above-described effects on the insulating property and the etching resistance. For example, it is possible to set the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film 3 measured under the conditions of frequency 1 kHz and ± 1 V to a size within the range of 300 to 400. The multilayer substrate 10 configured in this way can be particularly suitably used in applications such as high sensitivity sensors where a low dielectric constant is required.

また例えば、圧電薄膜3中におけるMuやCuの濃度を0.5at%以上0.6at%以下としてもよい。この場合、絶縁性やエッチング耐性について上述の効果を得ながら、圧電薄膜3の絶縁性をさらに高めることができる。例えば、圧電薄膜3に対してその厚さ方向に25×10V/mの電界を印加した際におけるリーク電流密度を、500μA/cm以下とすることが可能となる。このように構成された積層基板10は、高耐圧が求められるアクチュエータ等の用途に特に好適に用いることができる。 Further, for example, the concentration of Mu or Cu in the piezoelectric thin film 3 may be 0.5 at% or more and 0.6 at% or less. In this case, the insulation of the piezoelectric thin film 3 can be further enhanced while obtaining the above-described effects on the insulation and the etching resistance. For example, when an electric field of 25 × 10 6 V / m is applied to the piezoelectric thin film 3 in the thickness direction, the leak current density can be 500 μA / cm 2 or less. The multilayer substrate 10 configured in this manner can be particularly suitably used for applications such as actuators that require high withstand voltage.

また例えば、圧電薄膜3中におけるCuの濃度を0.4at%以上0.6at%以下としてもよい。この場合、絶縁性や比誘電率について上述の効果を得ながら、圧電薄膜3のエッチング耐性をさらに高めることができる。例えば、上述の濃度のBHF溶液中に圧電薄膜3を浸漬させた際における圧電薄膜3のエッチングレートを、0.005μm/hr以下とすることができる。   Also, for example, the concentration of Cu in the piezoelectric thin film 3 may be 0.4 at% or more and 0.6 at% or less. In this case, the etching resistance of the piezoelectric thin film 3 can be further enhanced while obtaining the above-described effects on the insulation property and the relative dielectric constant. For example, the etching rate of the piezoelectric thin film 3 when immersing the piezoelectric thin film 3 in the BHF solution having the above-mentioned concentration can be set to 0.005 μm / hr or less.

<第2実施形態>
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する結晶、すなわち、アルカリニオブ酸化物の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比c/aを、以下のように制御してもよい。
Second Embodiment
As in the first embodiment, addition of Mn and Cu to the piezoelectric thin film 3 is performed, and further, the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal forming the piezoelectric thin film 3, ie, the alkali niobium oxide and the in-plane direction lattice The ratio c / a to the constant a may be controlled as follows.

例えば、圧電薄膜3を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を0.98≦c/a≦1.01の範囲内とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。 For example, the lattice constant ratio is set so that the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3 to the in-plane direction lattice constant a is in the range of 0.98 ≦ c / a ≦ 1.01. You may control. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved.

なお、圧電薄膜3が、(K1−xNa)NbO(0<x<1)の組成式で表される層を複数有する場合、これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を0.98≦c/a≦1.01の範囲内とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。 When the piezoelectric thin film 3 has a plurality of layers represented by a composition formula of (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1), at least the thickest layer is configured among the plurality of layers. The ratio of lattice constants may be controlled so that the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal to the in-plane direction lattice constant a is in the range of 0.98 ≦ c / a ≦ 1.01. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved.

また例えば、圧電薄膜3に引っ張り応力が生じる場合、圧電薄膜3を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を0.980≦c/a≦0.993の範囲内とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。この場合、圧電薄膜3は、圧電薄膜3を構成する結晶よりも格子定数の小さい結晶からなる応力緩和層上に設けるようにするのが好ましい。 Also, for example, when tensile stress occurs in the piezoelectric thin film 3, the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3 to the in-plane direction lattice constant a is 0.980 ≦ c / a ≦ 0.993. The lattice constant ratio may be controlled to be in the range. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved. In this case, the piezoelectric thin film 3 is preferably provided on a stress relaxation layer made of a crystal having a lattice constant smaller than that of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3.

また例えば、圧電薄膜3に圧縮応力が生じる場合、圧電薄膜3を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を1.004≦c/a≦1.010の範囲内とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合、圧電薄膜3は、圧電薄膜3を構成する結晶よりも格子定数の大きい結晶からなる応力緩和層上に設けるようにするのが好ましい。   Also, for example, when a compressive stress is generated in the piezoelectric thin film 3, the ratio of the out-of-plane directional lattice constant c of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3 to the in-plane directional lattice constant a is 1.004 ≦ c / a ≦ 1.010 The lattice constant ratio may be controlled to be in the range. In this case, the piezoelectric thin film 3 is preferably provided on a stress relieving layer made of a crystal having a lattice constant larger than that of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3.

なお、上述のc/a比は、スパッタリング製膜時のアルゴン(Ar)ガスと酸素(O)ガスとの混合雰囲気中に存在するHO分圧を制御することで調整可能である。スパッタリング製膜時の雰囲気ガスにはAr/O混合ガスを用いるが、チャンバー内部に存在する水分が、その割合は非常に小さいが雰囲気ガスに混在してしまう場合がある。KNN薄膜のc/a比は、KNN薄膜の(001)面方位の配向状況に大きく依存し、(001)高配向の場合はc/a比が大きくなり、(001)低配向の場合はc/a比が小さくなる傾向がある。このKNN薄膜の(001)配向状況はスパッタリング製膜時の雰囲気ガスに含まれるHO分圧に大きく依存し、HO分圧が高い場合は(001)低配向になり、HO分圧が低い場合は(001)高配向になる傾向がある。すなわち、雰囲気ガス中のHO分圧を厳密に制御することで、KNN薄膜のc/a比を制御することができる。 The c / a ratio described above can be adjusted by controlling the partial pressure of H 2 O present in the mixed atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas during sputtering film formation. Although an Ar / O 2 mixed gas is used as an atmosphere gas at the time of film formation by sputtering, moisture present in the chamber may be mixed with the atmosphere gas although the proportion thereof is very small. The c / a ratio of the KNN thin film largely depends on the orientation condition of the (001) plane orientation of the KNN thin film, and the c / a ratio becomes large in the (001) high orientation, and c in the (001) low orientation. The / a ratio tends to be smaller. The KNN thin film (001) orientation situation depends largely on in H 2 O partial pressure contained in the ambient gas during sputtering film formation, when H 2 O partial pressure is high becomes low orientation (001), H 2 O When the partial pressure is low, the (001) orientation tends to be high. That is, by strictly controlling the H 2 O partial pressure in the atmosphere gas, the c / a ratio of the KNN thin film can be controlled.

<第3実施形態>
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する物質、すなわち、アルカリニオブ酸化物の組成比を、以下のように制御してもよい。
Third Embodiment
While adding Mn and Cu to the piezoelectric thin film 3 as in the first embodiment, the composition ratio of the material constituting the piezoelectric thin film 3, that is, the alkali niobium oxide is further controlled as follows. It is also good.

例えば、圧電薄膜3を、組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物を用いて製膜してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。また、圧電薄膜の絶縁耐性をより確実に向上させることも可能となる。例えば、圧電薄膜3の厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度を0.1μA/cm以下とすることも可能である。 For example, the piezoelectric thin film 3 is represented by a composition formula (K 1-x Na x ) y NbO 3 and has a perovskite structure having a range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.7 ≦ y ≦ 0.94. You may form into a film using an alkali niobium oxide. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved. In addition, the insulation resistance of the piezoelectric thin film can be more reliably improved. For example, it is also possible to set the leak current density which flows when an electric field of 50 kV / cm is applied in the thickness direction of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 μA / cm 2 or less.

また例えば、圧電薄膜3を、組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.75≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物を用いて製膜してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧100pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。また、圧電薄膜の絶縁耐性をより確実に向上させることも可能となる。例えば、圧電薄膜の厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度を0.1μA/cm以下とすることも可能である。 For example, the piezoelectric thin film 3 is represented by a composition formula (K 1-x Na x ) y NbO 3 and has a perovskite structure in the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.75 ≦ y ≦ 0.90. The film may be formed using an alkali niobium oxide of Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | 100100 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved. In addition, the insulation resistance of the piezoelectric thin film can be more reliably improved. For example, it is also possible to set the leak current density which flows when an electric field of 50 kV / cm is applied in the thickness direction of the piezoelectric thin film to 0.1 μA / cm 2 or less.

なお、上述の組成比は、例えば、スパッタリング製膜時に用いるターゲット材の組成を制御することで調整可能である。ターゲット材は、例えば、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末等を混合させて焼成すること等により作製することができる。この場合、ターゲット材の組成は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末等の混合比率を調整することで制御することができる。 Note that the above-described composition ratio can be adjusted, for example, by controlling the composition of the target material used during sputtering film formation. The target material can be produced, for example, by mixing K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder or the like and baking. In this case, the composition of the target material can be controlled by adjusting the mixing ratio of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder or the like.

<第4実施形態>
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する物質の組成比、および、面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比c/aを、それぞれ以下のように制御してもよい。
Fourth Embodiment
While the addition of Mn and Cu into the piezoelectric thin film 3 is performed as in the first embodiment, the composition ratio of the material constituting the piezoelectric thin film 3 and the out-of-plane directional lattice constant c and the in-plane directional lattice constant a The ratio c / a to c may be controlled as follows.

例えば、圧電薄膜3を、組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.77≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物を用いて製膜し、さらに、圧電薄膜3を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を0.98≦c/a≦1.008の範囲内とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。また、圧電薄膜の絶縁耐性をより確実に向上させることも可能となる。例えば、圧電薄膜3の厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度を0.1μA/cm以下とすることも可能である。 For example, the piezoelectric thin film 3 is represented by a composition formula (K 1-x Na x ) y NbO 3 and has a perovskite structure having a range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.77 ≦ y ≦ 0.90. The film is formed using an alkali niobium oxide, and the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal constituting the piezoelectric thin film 3 to the in-plane direction lattice constant a is 0.98 ≦ c / a ≦ 1.008. The lattice constant ratio may be controlled to be in the range. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved. In addition, the insulation resistance of the piezoelectric thin film can be more reliably improved. For example, it is also possible to set the leak current density which flows when an electric field of 50 kV / cm is applied in the thickness direction of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 μA / cm 2 or less.

なお、圧電薄膜3が、(K1−xNa)NbO(0<x<1)の組成式で表される層を複数有する場合、これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比を0.98≦c/a≦1.008の範囲とするように、格子定数比率を制御してもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たすようになり、圧電特性を向上させることが可能となる。 When the piezoelectric thin film 3 has a plurality of layers represented by a composition formula of (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1), at least the thickest layer is configured among the plurality of layers. The ratio of lattice constants may be controlled so that the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal to the in-plane direction lattice constant a is in the range of 0.98 ≦ c / a ≦ 1.008. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, the absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V, and the piezoelectric characteristics can be improved.

なお、上述のc/a比および組成比は、第2実施形態および第3実施形態に記載の手法により制御することが可能である。   The c / a ratio and the composition ratio described above can be controlled by the methods described in the second and third embodiments.

<第5実施形態>
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3中における炭素(C)や水素(H)の濃度を、それぞれ以下のように制御してもよい。
Fifth Embodiment
While the addition of Mn and Cu into the piezoelectric thin film 3 is performed as in the first embodiment, the concentrations of carbon (C) and hydrogen (H) in the piezoelectric thin film 3 are further controlled as follows, respectively. It is also good.

例えば、SIMSを用いて測定した際の圧電薄膜3中のC濃度を2×1019cm−3以下とするか、或いは、H濃度を4×1019cm−3以下としてもよい。これらの場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の絶縁耐性を、より確実に向上させることも可能となる。例えば、圧電薄膜3の厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度を0.1μA/cm以下とすることも可能である。また、圧電薄膜3の誘電損失tanδを0.1以下とすることも可能である。 For example, the C concentration in the piezoelectric thin film 3 when measured using SIMS may be 2 × 10 19 cm −3 or less, or the H concentration may be 4 × 10 19 cm −3 or less. Also in these cases, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the insulation resistance of the piezoelectric thin film 3 can be more reliably improved. For example, it is also possible to set the leak current density which flows when an electric field of 50 kV / cm is applied in the thickness direction of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 μA / cm 2 or less. Further, it is also possible to set the dielectric loss tan δ of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 or less.

また例えば、圧電薄膜3中のC濃度を2×1019cm−3以下とし、かつ、H濃度を4×1019cm−3以下としてもよい。この場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、圧電薄膜3の絶縁耐性を、より確実に向上させることも可能となる。例えば、圧電薄膜3の厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度を0.1μA/cm以下とすることが可能である。また、圧電薄膜3の誘電損失tanδを0.1以下とすることも可能である。 Further, for example, the C concentration in the piezoelectric thin film 3 may be 2 × 10 19 cm −3 or less, and the H concentration may be 4 × 10 19 cm −3 or less. Also in this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the insulation resistance of the piezoelectric thin film 3 can be more reliably improved. For example, it is possible to set the leak current density which flows when an electric field of 50 kV / cm is applied in the thickness direction of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 μA / cm 2 or less. Further, it is also possible to set the dielectric loss tan δ of the piezoelectric thin film 3 to 0.1 or less.

なお、圧電薄膜3中のC濃度やH濃度を低減させるには、スパッタリングで用いるKNN焼結体ターゲット中のC濃度やH濃度を減らすことが有効である。焼結体ターゲットを作製する際の焼成温度を高くするほど、焼結体ターゲット中のC濃度やH濃度を減らすことが可能である。また、スパッタリング製膜処理を行う際の雰囲気ガス、例えば、ArガスとOガスとの混合ガス中のOの比率を高めることも有効である。また、圧電薄膜3の製膜後に大気または酸素雰囲気で熱処理を行うことも有効である。 In order to reduce the C concentration and the H concentration in the piezoelectric thin film 3, it is effective to reduce the C concentration and the H concentration in the KNN sintered compact target used in sputtering. It is possible to reduce the C concentration and the H concentration in the sinter target as the firing temperature at the time of producing the sinter target is increased. In addition, it is also effective to increase the ratio of O 2 in an atmosphere gas at the time of performing the sputtering film formation process, for example, a mixed gas of Ar gas and O 2 gas. Further, it is also effective to perform heat treatment in the air or oxygen atmosphere after forming the piezoelectric thin film 3.

<第6実施形態>
図2に示すように、基板1として、その表面にSiO以外の絶縁性材料からなる絶縁膜1dが形成されたSi基板1aを用いることもできる。この絶縁膜1d上に、密着層6、下部電極膜2、圧電薄膜3、上部電極膜4をこの順に製膜する場合であっても、圧電薄膜3の組成や結晶配向を上述の各実施形態のように制御することで、これらの実施形態等と同様の効果が得られるようになる。なお、圧電薄膜3と上部電極膜4との間に密着層を設けるようにしてもよい点は、第1実施形態と同様である。
Sixth Embodiment
As shown in FIG. 2, it is also possible to use, as the substrate 1, a Si substrate 1 a on the surface of which an insulating film 1 d made of an insulating material other than SiO 2 is formed. Even when the adhesion layer 6, the lower electrode film 2, the piezoelectric thin film 3 and the upper electrode film 4 are formed in this order on the insulating film 1d, the composition and crystal orientation of the piezoelectric thin film 3 in each of the embodiments described above By performing control as described above, the same effects as those of the embodiments and the like can be obtained. An adhesion layer may be provided between the piezoelectric thin film 3 and the upper electrode film 4 in the same manner as in the first embodiment.

<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述の第1〜第6実施形態は適宜組み合わせて実施することも可能である。
Other Embodiments
The embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the first to sixth embodiments described above can be implemented in combination as appropriate.

以下、上述の実施形態の効果を裏付ける実験結果について説明する。   Hereinafter, the experimental result which supports the effect of the above-mentioned embodiment is explained.

基板として、表面が(100)面方位、厚さ610μm、直径6インチ、表面に熱酸化膜(厚さ200nm)が形成されたSi基板を用意した。そして、この基板の熱酸化膜上に、密着層としてのTi層(厚さ2nm)、下部電極膜としてのPt膜(基板の表面に対して(111)面方位に優先配向、厚さ200nm)、圧電薄膜としてのKNN薄膜(基板の表面に対して(100)面方位に優先配向、厚さ2μm)を順に製膜することで積層基板を作製した。KNN薄膜中におけるCu濃度(CuO濃度)は、0〜1at%の範囲内で変化させた。   As a substrate, a Si substrate having a (100) surface orientation, a thickness of 610 μm, a diameter of 6 inches, and a thermally oxidized film (thickness of 200 nm) formed on the surface was prepared. Then, on the thermal oxide film of this substrate, a Ti layer (2 nm in thickness) as an adhesion layer, and a Pt film as a lower electrode film (preferred orientation in the (111) plane direction with respect to the surface of the substrate, 200 nm) A laminated substrate was produced by sequentially forming a KNN thin film as a piezoelectric thin film (preferential orientation in the (100) plane direction with respect to the surface of the substrate, and a thickness of 2 μm). The Cu concentration (CuO concentration) in the KNN thin film was varied in the range of 0 to 1 at%.

Ti層、Pt膜、KNN薄膜の製膜は、いずれも、RFマグネトロンスパッタリング法により行った。Ti層、Pt膜を製膜する際の処理条件は、それぞれ、基板温度300℃、放電パワー1200W、導入ガスAr、Ar雰囲気の圧力0.3Pa、製膜時間5分とした。KNN薄膜を製膜する際の処理条件は、基板温度600℃、放電パワー2200W、導入ガスAr+O、Ar+O混合雰囲気の圧力0.3Pa(分圧比Ar/O=25/1)、製膜速度1μm/hrとした。 The film formation of the Ti layer, the Pt film, and the KNN thin film was all performed by the RF magnetron sputtering method. The processing conditions for forming the Ti layer and the Pt film were a substrate temperature of 300 ° C., a discharge power of 1200 W, an introduced gas Ar, a pressure of 0.3 Pa for Ar atmosphere, and a film forming time of 5 minutes. The processing conditions for forming the KNN thin film are substrate temperature 600 ° C., discharge power 2200 W, introduced gas Ar + O 2 , pressure 0.3 Pa of Ar + O 2 mixed atmosphere (partial pressure ratio Ar / O 2 = 25/1), film formation The speed was 1 μm / hr.

Cuが添加されたKNN薄膜を製膜する際のスパッタリングターゲット材としては、(K+Na)/Nb=0.8〜1.2、Na/(K+Na)=0.4〜0.7の組成を有し、Cuを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む(K1−xNaNbO焼結体を用いた。なお、ターゲット材は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、CuO粉末をボールミルを用いて24時間混合させ、850℃で10時間仮焼成し、その後、再びボールミルで粉砕し、200MPaの圧力で成型した後、1080℃で焼成することで作製した。ターゲット材の組成は、KCO粉末、NaCO粉末、Nb粉末、CuO粉末の混合比率を調整することで制御し、製膜処理を行う前にEDX(エネルギー分散型X線分光分析)によって測定した。なお、後述する評価において、Mnが添加されたKNN薄膜を製膜する際のスパッタリングターゲット材としては、Cuの代わりにMnを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む上述の(K1−xNaNbO焼結体を用いた。焼結体を作製する際は、上述の作成手順において、CuO粉末の代わりにMgO粉末を用いるようにした。 The sputtering target material for forming a KNN thin film to which Cu is added has a composition of (K + Na) /Nb=0.8 to 1.2 and Na / (K + Na) = 0.4 to 0.7. And a sintered body of (K 1-x Na x ) y NbO 3 containing Cu at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less. The target material is a mixture of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, and CuO powder for 24 hours using a ball mill, pre-baked at 850 ° C. for 10 hours, and then again using a ball mill. After pulverizing and shaping | molding by the pressure of 200 Mpa, it produced by baking at 1080 degreeC. The composition of the target material is controlled by adjusting the mixing ratio of K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, and CuO powder, and EDX (energy dispersive type X before film forming treatment) Measured by line spectroscopy. In the evaluation to be described later, as a sputtering target material for forming a KNN thin film to which Mn is added, the above-mentioned (K at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less instead of Cu) A 1-x Na x ) y NbO 3 sintered body was used. When producing a sintered body, MgO powder was used instead of CuO powder in the above-mentioned preparation procedure.

そして、積層基板が有するKNN薄膜のエッチング耐性、絶縁性、比誘電率をそれぞれ測定した。図8(a)はKNN薄膜のエッチング耐性に関する評価結果を、図8(b)はKNN薄膜の絶縁性に関する評価結果を、図8(c)はKNN薄膜の比誘電率に関する評価を示す図である。   Then, the etching resistance, the insulating property and the relative dielectric constant of the KNN thin film of the laminated substrate were measured. 8 (a) shows the evaluation result on the etching resistance of the KNN thin film, FIG. 8 (b) shows the evaluation result on the insulating property of the KNN thin film, and FIG. 8 (c) shows the evaluation on the dielectric constant of the KNN thin film. is there.

(エッチング耐性に関する評価)
エッチング耐性の評価は、KNN薄膜の表面を露出させた状態で積層基板をBHF液中に浸漬し、KNN薄膜表面の侵食が開始されるまでの時間を測定することで行った。BHF液中におけるHF濃度は4.32mol/L、NHF濃度は10.67mol/Lとした。
(Evaluation on etching resistance)
The evaluation of the etching resistance was performed by immersing the laminated substrate in the BHF solution with the surface of the KNN thin film exposed and measuring the time until the erosion of the KNN thin film surface was started. The HF concentration in the BHF solution was 4.32 mol / L, and the NH 4 F concentration was 10.67 mol / L.

図8(a)に示すように、膜中のCu濃度を0at%としたKNN薄膜の表面は、BHF液中に浸漬させてから1分未満で侵食が開始されることが確認できた。膜中のCu濃度を0.1at%としたKNN薄膜では、KNN薄膜のエッチングは比較的進行しにくくなるものの、浸漬後1分程度で侵食が開始されることが確認できた。膜中のCu濃度を0.2at%としたKNN薄膜では、少なくとも浸漬後15分の間、表面の侵食を回避できることを確認できた。膜中のCu濃度を0.5at%としたKNN薄膜では、少なくとも浸漬後60分の間、表面の侵食を回避できることを確認できた。   As shown in FIG. 8A, it was confirmed that the surface of the KNN thin film having a Cu concentration of 0 at% in the film starts to be attacked in less than one minute after being immersed in the BHF solution. In the case of the KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.1 at%, although the etching of the KNN thin film is relatively difficult to progress, it has been confirmed that the corrosion starts about 1 minute after immersion. In the case of a KNN thin film having a Cu concentration of 0.2 at% in the film, it was confirmed that surface erosion can be avoided at least for 15 minutes after immersion. In the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film was 0.5 at%, it was confirmed that surface erosion can be avoided for at least 60 minutes after immersion.

すなわち、KNN薄膜中のCu濃度を0.2at%以上とすることで、KNN薄膜のエッチング耐性を飛躍的に高めることができ、膜中のCu濃度を0.5at%以上とすることで、KNN薄膜のエッチング耐性をさらに高めることができることを確認できた。なお、エッチング耐性に関する上述の効果は、KNN薄膜中にCuの代わりにMnを添加した場合には、得られにくいことを確認済みである。   That is, by setting the Cu concentration in the KNN thin film to 0.2 at% or more, the etching resistance of the KNN thin film can be dramatically improved, and by setting the Cu concentration in the film to 0.5 at% or more, the KNN It has been confirmed that the etching resistance of the thin film can be further enhanced. In addition, it has been confirmed that the above-mentioned effect on the etching resistance is difficult to be obtained when Mn is added to the KNN thin film instead of Cu.

(絶縁性に関する評価)
絶縁性の評価は、KNN薄膜上に上部電極膜として直径0.5mmの円形のPt膜を製膜し、下部電極膜と上部電極膜との間に電圧を印加できるようにし、これらの間に500μA/cmのリーク電流が流れるまでの電圧値を測定することで行った。
(Evaluation on insulation)
In the evaluation of insulation, a round Pt film with a diameter of 0.5 mm is formed as an upper electrode film on a KNN thin film so that a voltage can be applied between the lower electrode film and the upper electrode film, and between these It was carried out by measuring the voltage value until a leak current of 500 μA / cm 2 flows.

図8(b)に示すように、膜中のCu濃度を0at%としたKNN薄膜では、膜厚方向に2〜4Vの電圧を印加することで500μA/cmのリーク電流が流れることが確認できた。また、膜中のCu濃度を0.1at%としたKNN薄膜では、膜厚方向に5〜7Vの電圧を印加することで500μA/cmのリーク電流が流れることを確認できた。 As shown in FIG. 8B, in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0 at%, it is confirmed that a leakage current of 500 μA / cm 2 flows by applying a voltage of 2 to 4 V in the film thickness direction. did it. Further, in the case of a KNN thin film having a Cu concentration of 0.1 at% in the film, it was confirmed that a leak current of 500 μA / cm 2 flows by applying a voltage of 5 to 7 V in the film thickness direction.

これに対し、膜中のCu濃度を0.2at%としたKNN薄膜では、500μA/cmのリーク電流を流すためには膜厚方向に30〜34Vの電圧を印加する必要があることを確認できた。また、膜中のCu濃度を0.25at%としたKNN薄膜では、膜厚方向に50Vの電圧を印加しても500μA/cm以上のリーク電流は観測されず、リーク電流の大きさは最大でも300μA/cm以下であることを確認できた。また、膜中のCu濃度を0.5at%以上としたKNN薄膜では、膜厚方向に100Vの電圧を印加しても500μA/cm以上のリーク電流は観測されないことを確認できた。 On the other hand, in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.2 at%, it is necessary to apply a voltage of 30 to 34 V in the film thickness direction in order to flow a leakage current of 500 μA / cm 2 did it. In addition, in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.25 at%, a leak current of 500 μA / cm 2 or more is not observed even if a voltage of 50 V is applied in the film thickness direction. However, it could be confirmed that it was 300 μA / cm 2 or less. In addition, in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film was 0.5 at% or more, it was confirmed that a leak current of 500 μA / cm 2 or more was not observed even when a voltage of 100 V was applied in the film thickness direction.

すなわち、KNN薄膜中のCu濃度を0.2at%以上とすることで、KNN薄膜の絶縁性を飛躍的に高めることができ、膜中のCu濃度を0.25at%、さらには、0.5at%以上とすることで、KNN薄膜の絶縁性をさらに高めることができることを確認できた。なお、絶縁性に関する上述の効果は、KNN薄膜中にCuの代わりにMnを添加した場合においても、KNN薄膜中にCuを添加した場合と同様に得られることを確認済みである。この場合におけるMn濃度の好ましい濃度範囲は、上述したCuの濃度範囲と同様である。   That is, by setting the Cu concentration in the KNN thin film to 0.2 at% or more, the insulation of the KNN thin film can be dramatically improved, and the Cu concentration in the film is 0.25 at%, and further 0.5 at%. It could be confirmed that the insulating property of the KNN thin film can be further enhanced by setting it to at least%. In addition, it has been confirmed that the above-mentioned effect on the insulating property can be obtained similarly to the case of adding Cu to the KNN thin film even when Mn is added to the KNN thin film instead of Cu. The preferable concentration range of the Mn concentration in this case is the same as the concentration range of Cu described above.

(比誘電率に関する評価)
比誘電率の評価は、KNN薄膜に対して1kHz、±1Vの交流電界を印加することで測定した。
(Evaluation of dielectric constant)
The dielectric constant was evaluated by applying an alternating electric field of 1 kHz and ± 1 V to the KNN thin film.

図8(c)に示すように、膜中のCu濃度を0.7at%以上としたKNN薄膜では、比誘電率が1000を超えることを確認できた。また、膜中のCu濃度を0.6at%以上としたKNN薄膜では、比誘電率が1000未満となることを確認できた。また、膜中のCu濃度を0.25at%以下としたKNN薄膜では、比誘電率が400未満となることが確認できた。   As shown in FIG. 8C, in the case of the KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.7 at% or more, it was confirmed that the relative dielectric constant exceeds 1000. In addition, in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.6 at% or more, it was confirmed that the relative dielectric constant is less than 1000. In addition, it has been confirmed that the relative dielectric constant is less than 400 in the case of a KNN thin film in which the Cu concentration in the film is 0.25 at% or less.

すなわち、KNN薄膜中のCu濃度を0.6at%以下とすることで、KNN薄膜の比誘電率を、センサやアクチュエータの用途に好適な大きさとすることができ、また、膜中のCu濃度を0.25at%以下とすることで、KNN薄膜の比誘電率を、高感度センサの用途に好適な大きさとすることができることを確認できた。なお、比誘電率に関する上述の効果は、KNN薄膜中にCuの代わりにMnを添加した場合においても、KNN薄膜中にCuを添加した場合と同様に得られることを確認済みである。この場合におけるMn濃度の好ましい濃度範囲は、上述したCuの濃度範囲と同様である。   That is, by setting the Cu concentration in the KNN thin film to 0.6 at% or less, the relative dielectric constant of the KNN thin film can be made a size suitable for the application of the sensor or actuator, and the Cu concentration in the film can be It could be confirmed that the relative dielectric constant of the KNN thin film can be made to be a size suitable for the application of the high sensitivity sensor by setting it to 0.25 at% or less. In addition, it has been confirmed that the above-described effect on the relative dielectric constant can be obtained similarly to the case of adding Cu to the KNN thin film also when Mn is added to the KNN thin film instead of Cu. The preferable concentration range of the Mn concentration in this case is the same as the concentration range of Cu described above.

<本発明の好ましい態様>
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiment of the present invention>
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally stated.

(付記1)
本発明の一態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板が提供される。
(Supplementary Note 1)
According to one aspect of the invention:
A substrate, an electrode film formed on the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the electrode film;
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
There is provided a laminated substrate with a piezoelectric thin film comprising a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu in a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記2)
好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.2at%以上0.25%以下である。
(Supplementary Note 2)
Preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 1 is,
The concentration of the metal element in the piezoelectric thin film is 0.2 at% or more and 0.25% or less.

(付記3)
また好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.5at%以上0.6at%以下である。
(Supplementary Note 3)
Further preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 1 is,
The concentration of the metal element in the piezoelectric thin film is 0.5 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記4)
また好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.4at%以上0.6at%以下である。
(Supplementary Note 4)
Further preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 1 is,
The concentration of the metal element in the piezoelectric thin film is 0.4 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記5)
本発明の他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
フッ化水素を4.32mol/L、フッ化アンモニウムを10.67mol/Lの濃度でそれぞれ含むフッ素系エッチング液を用いてエッチングした際のエッチングレートが0.005μm/hr以下であり、
厚さ方向に25×10V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cm以下(好ましくは300μA/cm以下)であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が300以上1000以下である圧電薄膜付き積層基板が提供される。
(Supplementary Note 5)
According to another aspect of the invention,
A substrate, an electrode film formed on the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the electrode film;
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
The etching rate is 0.005 μm / hr or less when etching is performed using a fluorine-based etching solution containing hydrogen fluoride at 4.32 mol / L and ammonium fluoride at a concentration of 10.67 mol / L,
The leakage current density is 500 μA / cm 2 or less (preferably 300 μA / cm 2 or less) when an electric field of 25 × 10 6 V / m is applied in the thickness direction.
Provided is a laminated substrate with a piezoelectric thin film having a relative dielectric constant of 300 or more and 1,000 or less when measured under a condition of a frequency of 1 kHz.

(付記6)
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.01の範囲内にあり、
前記圧電薄膜の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たす。
(Supplementary Note 6)
In addition, preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to any one of appendices 1 to 5, is provided.
The ratio of the out-of-plane direction lattice constant c to the in-plane direction lattice constant a of the crystal (alkali niobium oxide) constituting the piezoelectric thin film is in the range of 0.98 ≦ c / a ≦ 1.01,
The absolute value of the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film satisfies | d 31 | ≧ 90 pm / V.

(付記7)
また好ましくは、付記6に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜が、(K1−xNa)NbO(0<x<1)の組成式で表される層を複数有し、
これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が、0.98≦c/a≦1.01の範囲にある。
(Appendix 7)
Further preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 6 is provided.
The piezoelectric thin film has a plurality of layers represented by a composition formula of (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1),
Among the plurality of layers, the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal (alkali niobium oxide) constituting at least the thickest layer to the in-plane direction lattice constant a is 0.98 ≦ c / a ≦ 1. It is in the range of 01.

(付記8)
また好ましくは、付記6又は7に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜に引っ張り応力が生じ、前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.980≦c/a≦0.993の範囲内にある。
(Supplementary Note 8)
Preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 6 or 7 is preferably,
A tensile stress is generated in the piezoelectric thin film, and the ratio of the out-of-plane directional lattice constant c of the crystal (alkali niobium oxide) constituting the piezoelectric thin film to the in-plane directional lattice constant a is 0.980 ≦ c / a ≦ 0. It is in the range of 993.

(付記9)
また好ましくは、付記8に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、前記圧電薄膜を構成する結晶よりも格子定数の小さい結晶からなる応力緩和層上に設けられる。
(Appendix 9)
Further preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 8 is provided.
The piezoelectric thin film is provided on a stress relieving layer made of a crystal having a smaller lattice constant than a crystal forming the piezoelectric thin film.

(付記10)
また好ましくは、付記6又は7に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜に圧縮応力が生じ、前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が1.004≦c/a≦1.010の範囲内にある。
(Supplementary Note 10)
Preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to Appendix 6 or 7 is preferably,
A compressive stress is generated in the piezoelectric thin film, and the ratio of the out-of-plane directional lattice constant c of the crystal (alkali niobium oxide) constituting the piezoelectric thin film to the in-plane directional lattice constant a is 1.004 ≦ c / a ≦ 1. It is in the range of 010.

(付記11)
また好ましくは、付記10に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、前記圧電薄膜を構成する結晶よりも格子定数の大きい結晶からなる応力緩和層上に設けられる。
(Supplementary Note 11)
Further preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to appendix 10 is provided.
The piezoelectric thin film is provided on a stress relieving layer made of a crystal having a lattice constant larger than that of a crystal forming the piezoelectric thin film.

(付記12)
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
圧電定数の絶対値が|d31|が90pm/V以上である。
(Supplementary Note 12)
In addition, preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to any one of appendices 1 to 5, is provided.
The piezoelectric thin film is
An alkaline niobium oxide of a perovskite structure represented by the composition formula (K 1 -x Na x ) y NbO 3 and in the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.7 ≦ y ≦ 0.94,
The absolute value of the piezoelectric constant | d 31 | is 90 pm / V or more.

(付記13)
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.75≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
圧電定数のの絶対値が|d31|が100pm/V以上である。
(Supplementary Note 13)
In addition, preferably, the laminate substrate with a piezoelectric thin film according to any one of appendices 1 to 5, is provided.
The piezoelectric thin film is
It consists of an alkali niobium oxide of the perovskite structure which is represented by the compositional formula (K 1 -x Na x ) y NbO 3 and in the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.75 ≦ y ≦ 0.90.
The absolute value of the piezoelectric constant | d 31 | is 100 pm / V or more.

(付記14)
好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNaNbOで表され、0.4≦x≦0.7かつ0.77≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.008の範囲内にある。
(Supplementary Note 14)
Preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to any one of appendices 1 to 5,
The piezoelectric thin film is
An alkaline niobium oxide of a perovskite structure represented by the composition formula (K 1 -x Na x ) y NbO 3 and in the range of 0.4 ≦ x ≦ 0.7 and 0.77 ≦ y ≦ 0.90,
The ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal (alkali niobium oxide) constituting the piezoelectric thin film to the in-plane direction lattice constant a is in the range of 0.98 ≦ c / a ≦ 1.008.

(付記15)
好ましくは、付記14に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜が、(K1−xNa)NbO(0<x<1)の組成式で表される層を複数有し、
これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が、0.98≦c/a≦1.008の範囲にある。
(Supplementary Note 15)
Preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to appendix 14 is provided.
The piezoelectric thin film has a plurality of layers represented by a composition formula of (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1),
Among the plurality of layers, the ratio of the out-of-plane direction lattice constant c of the crystal (alkali niobium oxide) constituting at least the thickest layer to the in-plane direction lattice constant a is 0.98 ≦ c / a ≦ 1. It is in the range of 008.

(付記16)
好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中のC濃度が2×1019cm−3以下、または、H濃度が4×1019cm−3以下である。より好ましくは、前記圧電薄膜中のC濃度が2×1019cm−3以下、かつ、H濃度が4×1019cm−3以下である。
(Supplementary Note 16)
Preferably, the laminated substrate with a piezoelectric thin film according to any one of appendices 1 to 5,
The C concentration in the piezoelectric thin film is 2 × 10 19 cm −3 or less, or the H concentration is 4 × 10 19 cm −3 or less. More preferably, the C concentration in the piezoelectric thin film is 2 × 10 19 cm −3 or less, and the H concentration is 4 × 10 19 cm −3 or less.

(付記17)
本発明のさらに他の態様によれば、
下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
(Supplementary Note 17)
According to yet another aspect of the invention,
A lower electrode film, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric thin film,
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
Provided is a piezoelectric thin film element including a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記18)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
(Appendix 18)
According to yet another aspect of the invention,
A substrate, a lower electrode film formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric thin film,
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
Provided is a piezoelectric thin film element including a metal element selected from the group consisting of Mn and Cu at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記19)
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜の少なくとも一部を露出させた状態で、(前記圧電薄膜の露出面を覆う保護膜を設けることなく)前記積層基板に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記積層基板のうち前記圧電薄膜を除く部位の少なくとも一部をエッチングする工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
(Appendix 19)
According to yet another aspect of the invention,
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation, and from the group consisting of Mn and Cu Preparing a laminated substrate with a piezoelectric thin film containing the selected metal element at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less;
In a state where at least a part of the piezoelectric thin film is exposed, a fluorine-based etching solution is supplied to the laminated substrate (without providing a protective film covering the exposed surface of the piezoelectric thin film), and Etching at least a part of the portion excluding the piezoelectric thin film;
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element is provided.

(付記20)
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜上に形成された絶縁膜に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記絶縁膜の一部をエッチングして前記圧電薄膜の表面を露出させる際に、前記圧電薄膜をエッチングストッパとして作用させることで前記絶縁膜のエッチングの終点を制御する工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
(Supplementary Note 20)
According to yet another aspect of the invention,
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation, and from the group consisting of Mn and Cu Preparing a laminated substrate with a piezoelectric thin film containing the selected metal element at a concentration of 0.2 at% or more and 0.6 at% or less;
When supplying a fluorine-based etching solution to the insulating film formed on the piezoelectric thin film and etching a part of the insulating film to expose the surface of the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film acts as an etching stopper Controlling the end point of the etching of the insulating film by
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element is provided.

(付記21)
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表される焼結体からなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含むスパッタリングターゲット材が提供される。
(Supplementary Note 21)
According to yet another aspect of the invention,
0.2 at% or more and 0.6 atm of a metal element composed of a sintered body represented by a composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) and selected from the group consisting of Mn and Cu A sputtering target material is provided which comprises a concentration of% or less.

(付記22)
好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.2at%以上0.25%以下である。
(Supplementary Note 22)
Preferably, the sputtering target material according to appendix 21 is
The concentration of the metal element in the sintered body is 0.2 at% or more and 0.25% or less.

(付記23)
また好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.5at%以上0.6at%以下である。
(Supplementary Note 23)
Further preferably, the sputtering target material according to appendix 21 is
The concentration of the metal element in the sintered body is 0.5 at% or more and 0.6 at% or less.

(付記24)
また好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.4at%以上0.6at%以下である。
(Supplementary Note 24)
Further preferably, the sputtering target material according to appendix 21 is
The concentration of the metal element in the sintered body is 0.4 at% or more and 0.6 at% or less.

1 基板
2 下部電極膜
3 圧電薄膜
10 積層基板
1 substrate 2 lower electrode film 3 piezoelectric thin film 10 laminated substrate

Claims (12)

基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
Cuを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含み、
25×10 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cm 以下であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が1000以下である圧電薄膜付き積層基板。
A substrate, an electrode film formed on the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the electrode film;
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
Only contains a concentration of less than 0.2at% or more 0.6at% of Cu,
Leakage current density when applying an electric field of 25 × 10 6 V / m is 500 μA / cm 2 or less,
A laminated substrate with a piezoelectric thin film having a dielectric constant of 1000 or less when measured under a frequency of 1 kHz .
前記圧電薄膜は、Cuを0.25at%以上0.6at%以下の濃度で含み、The piezoelectric thin film contains Cu at a concentration of 0.25 at% or more and 0.6 at% or less,
25×1025 × 10 6 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が300μA/cmLeakage current density is 300μA / cm when an electric field of V / m is applied 2 以下である請求項1に記載の圧電薄膜付き積層基板。The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to claim 1, which is the following.
前記圧電薄膜は、周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が300以上1000以下である請求項1または2に記載の圧電薄膜付き積層基板。The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to claim 1 or 2, wherein the piezoelectric thin film has a relative dielectric constant of 300 or more and 1000 or less when measured under a condition of a frequency of 1 kHz. 前記圧電薄膜は、Cuを0.5at%以上0.6at%以下の濃度で含み、The piezoelectric thin film contains Cu at a concentration of 0.5 at% to 0.6 at%,
50×1050 × 10 6 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cmLeakage current density is 500μA / cm when an electric field of V / m is applied 2 以下である請求項1に記載の圧電薄膜付き積層基板。The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to claim 1, which is the following.
前記圧電薄膜は、周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が700以上1000以下である請求項4に記載の圧電薄膜付き積層基板。5. The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to claim 4, wherein the piezoelectric thin film has a relative dielectric constant of 700 or more and 1000 or less when measured under a condition of a frequency of 1 kHz. 前記圧電薄膜は、Mnを0.2at%以上0.at%以下の濃度で、かつ、CuおよびMnの合計濃度が0.6at%以下であるように含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 The piezoelectric thin film, a Mn, more than 0.2 at% 0. The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the concentration is 4 at% or less , and the total concentration of Cu and Mn is 0.6 at% or less . 前記圧電薄膜は、Mnを実質的に含まない請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 The laminated film substrate with a piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 5 , wherein the piezoelectric thin film substantially does not contain Mn. 下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNa)NbO(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
Cuを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含み、
25×10 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cm 以下であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が1000以下である圧電薄膜素子。
A lower electrode film, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode film, and an upper electrode film formed on the piezoelectric thin film,
The piezoelectric thin film is
Alkali niobium oxide having a perovskite structure represented by the composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (0 <x <1) is preferentially oriented in the (001) plane orientation,
Only contains a concentration of less than 0.2at% or more 0.6at% of Cu,
Leakage current density when applying an electric field of 25 × 10 6 V / m is 500 μA / cm 2 or less,
Piezoelectric thin film element with a relative dielectric constant of 1000 or less when measured under the condition of 1 kHz frequency .
前記圧電薄膜は、Cuを0.25at%以上0.6at%以下の濃度で含み、The piezoelectric thin film contains Cu at a concentration of 0.25 at% or more and 0.6 at% or less,
25×1025 × 10 6 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が300μA/cmLeakage current density is 300μA / cm when an electric field of V / m is applied 2 以下である請求項8に記載の圧電薄膜素子。The piezoelectric thin film element according to claim 8, which is the following.
前記圧電薄膜は、Cuを0.5at%以上0.6at%以下の濃度で含み、The piezoelectric thin film contains Cu at a concentration of 0.5 at% to 0.6 at%,
50×1050 × 10 6 V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cmLeakage current density is 500μA / cm when an electric field of V / m is applied 2 以下である請求項8に記載の圧電薄膜付き積層基板。The laminated substrate with a piezoelectric thin film according to claim 8, which is the following.
前記圧電薄膜は、Mnを0.2at%以上0.at%以下の濃度で、かつ、CuおよびMnの合計濃度が0.6at%以下であるように請求項8〜10のいずれか1項に圧電薄膜素子。 The piezoelectric thin film, a Mn, more than 0.2 at% 0. The piezoelectric thin film element according to any one of claims 8 to 10, wherein the concentration is 4 at% or less and the total concentration of Cu and Mn is 0.6 at% or less . 前記圧電薄膜は、Mnを実質的に含まない請求項8〜10のいずれか1項に記載の圧電薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to any one of claims 8 to 10 , wherein the piezoelectric thin film substantially does not contain Mn.
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