CN107235724B - 压电陶瓷溅射靶材、无铅压电薄膜以及压电薄膜元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种在无铅压电薄膜的制造中可以充分地抑制成为缺陷的主要因素的微粒的产生的压电陶瓷溅射靶材。所述压电陶瓷溅射靶材其特征在于，所述压电陶瓷溅射靶材以化学式(I)：ABO3所表示的钙钛矿型氧化物为主成分，所述化学式(I)的A成分至少含有K(钾)和/或Na(钠)，所述化学式(I)的B成分至少含有Nb(铌)，所述压电陶瓷溅射靶材由多个晶粒构成，所述晶粒的平均粒径大于3μm且为30μm以下。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷溅射靶材、无铅压电薄膜以及使用其的压电薄膜元件。
背景技术
已知有如果施加电场则产生机械应变和应力的显示所谓的压电现象的压电陶瓷。这样的压电陶瓷用于致动器等的振动元件、发声体或传感器等。
作为用于上述的压电陶瓷，最多的是利用具有优异的压电性的锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)。然而，由于锆钛酸铅含有较多的铅，因此，在最近由于酸雨而造成的铅的溶出等对地球环境的影响被视作问题。因此，需要寻求代替锆钛酸铅的不含有铅的压电陶瓷，根据所述要求提出有不含有铅的各种压电陶瓷。
另一方面，电子部件要求进一步小型化、高性能化以及高可靠性，在压电部件中也有同样的倾向。许多压电部件使用通过烧结法制作的块体，但随着其厚度变薄，产生用于控制厚度的加工变得极其困难或结晶粒径的尺寸导致特性劣化这样的状况。作为解决其的方法之一，近年来广泛地进行有关利用了各种薄膜制作法的压电薄膜和使用其的元件应用的研究。
例如，溅射法是代表性的薄膜制作法。其原理是，在氩等的惰性气体气氛中，通过在堆积薄膜的基板(阳极侧)和与其相对的由薄膜形成物质构成的靶(阴极侧)之间施加电压，从而使离子化后的惰性气体原子碰撞作为阴极物质的靶，利用该能量将靶的构成原子敲出，由此在相对基板上形成薄膜。
在电子部件的微细化并且利用溅射法的成膜中，要求更高精度·高品质的薄膜，在后者方面，具体来说，高密度·低缺陷薄膜的制作成为课题。例如，作为使用了溅射法的薄膜的缺陷的主要因素，可以列举微粒或结核(nodule)的产生。
伴随着溅射时间的增加，在靶材表面产生被称为结核的微小突起物。该结核在溅射时发生电弧放电，此时结核的碎片等成为微粒飞散。如果该微粒附着于薄膜，则在该部分产生缺陷，有可能与制成产品时的不良品有关联。因此，对于溅射靶材寻求可以怎样地抑制微粒的产生。
例如，在专利文献1中公开了通过对铅类的溅射靶材的制作方法进行钻研从而在薄膜制作时抑制微粒的产生的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-336474号公报
发明内容
在无铅压电薄膜、特别是铌酸化合物的制作时，存在成为缺陷的主要因素的微粒产生等的问题。然而，现状是不一定公开了有效地解决其的方法。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种在无铅压电薄膜的制造时能够充分地抑制成为缺陷的主要因素的微粒的产生的压电陶瓷溅射靶材。另外，其目的在于提供一种使用所述压电陶瓷溅射靶材成膜而成的无铅压电薄膜以及压电薄膜元件。
为了达成上述目的，本发明人对充分地抑制微粒的产生的方法进行了各种研究。其结果发现，通过控制压电陶瓷溅射靶材的平均粒径，在使用其的溅射成膜中可以抑制微粒的产生个数。
即，本发明的压电陶瓷溅射靶材其特征在于，所述压电陶瓷溅射靶材以化学式(I)：ABO3所表示的钙钛矿型氧化物为主成分，
所述化学式(I)的A成分至少含有K(钾)和/或Na(钠)，
所述化学式(I)的B成分至少含有Nb(铌)，
所述压电陶瓷溅射靶材由多个晶粒构成，
所述晶粒的平均粒径大于3μm且为30μm以下。
由此，在使用了所述压电陶瓷溅射靶材的溅射成膜中，可以充分地抑制微粒的产生。
化学式(I)的所述A成分也可以进一步包含Sr(锶)和/或Li(锂)。
化学式(I)的所述B成分也可以进一步包含Ta(钽)和/或Zr(锆)。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种在无铅压电薄膜的制造中能够充分地抑制成为缺陷的主要因素的微粒的产生的压电陶瓷溅射靶材。另外，可以提供一种使用所述压电陶瓷溅射靶材成膜而成的无铅压电薄膜以及压电薄膜元件。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的压电陶瓷溅射靶材的一个实施方式的立体图。
图2是表示本发明所涉及的压电陶瓷溅射靶材的另一个实施方式的立体图。
图3是表示使用本发明所涉及的压电陶瓷溅射靶材成膜而成的无铅压电薄膜元件的实施方式的截面图。
符号的说明：
1、2 压电陶瓷溅射靶材
100 基体
200 下部电极
300 无铅压电薄膜
400 上部电极
1000 压电薄膜元件
具体实施方式
以下，根据情况参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。另外，在附图的说明中，对同一或同等的要素使用同一符号，省略重复的说明。
(压电陶瓷溅射靶材)
图1是表示本发明所涉及的压电陶瓷溅射靶材的一个实施方式的立体图。在此，压电陶瓷溅射靶材1作为一体物构成。而且，根据需要也可以施以调整表面的平坦性或厚度的加工。压电陶瓷溅射靶材1的外形不一定必须为圆形，也可以为椭圆或四边形或多边形。而且，对于其大小也没有特别的限制。
图2是表示本发明所涉及的压电陶瓷溅射靶材的另一个实施方式的立体图。压电陶瓷溅射靶材2由分割成2个以上的多块构成。在此，分割线不一定必须为直线，也可以为同心圆或曲线。另外，压电陶瓷溅射靶材2的外形也不一定必须为圆形，也可以为椭圆或四边形或多边形。另外，同样地，对于大小也没有特别的限制。
这些压电陶瓷溅射靶材1和2在固定于例如铜制的垫板上之后，安装于溅射装置上，进行溅射成膜。
本发明的压电陶瓷溅射靶材其特征在于，所述压电陶瓷溅射靶材以化学式(I)：ABO3所表示的钙钛矿型氧化物为主成分，
所述化学式(I)的A成分至少含有K(钾)和/或Na(钠)，
所述化学式(I)的B成分至少含有Nb(铌)，
所述压电陶瓷溅射靶材由多个晶粒构成，
所述晶粒的平均粒径大于3μm且为30μm以下。
在平均粒径为3μm以下的情况下，晶界区域变多，不包含于晶粒的成分可能成为微粒发生的主要因素。另外，在平均粒径大于30μm的情况下，晶粒的中央部和端部的组成偏离变得明显，可能成为微粒产生的主要因素。所述晶粒的平均粒径优选大于4μm且为20μm以下。进一步优选大于5μm且为15μm以下。
所述化学式(I)的所述A成分中也可以包含Sr(锶)和/或Li(锂)。另外，所述化学式(I)的所述B成分中也可以包含Ta(钽)和/或Zr(锆)。通过将这些与主成分置换，从而容易为了维持钙钛矿型氧化物的A成分和B成分的摩尔比A/B而进行补偿。各自的量优选相对于A成分或B成分成为20摩尔％以下。
作为所述压电陶瓷溅射靶材的副成分，可以含有Mn(锰)和Cu(铜)的至少一种的成分，相对于所述化学式(I)的组合物，分别换算成MnO(氧化锰)、CuO(氧化铜)可以含有1质量％以下。
将铟等作为粘结剂将如上所述得到的压电陶瓷溅射靶材粘接于垫板。
(压电陶瓷溅射靶材的制造方法)
接着，以下对图1所示的压电陶瓷溅射靶材1的制造方法进行说明。
作为压电陶瓷溅射靶材的主成分的原料，分别准备例如含有Na(钠)、K(钾)、Li(锂)、Nb(铌)、Ta(钽)、Sr(锶)、Zr(锆)、Ba(钡)的化合物粉末；另外，作为副成分，分别准备例如含有Mn(锰)和Cu(铜)的化合物粉末。另外，作为成为这些原料的化合物，可以使用各个元素的氧化物或复合氧化物、或者通过加热成为氧化物的例如碳酸盐或草酸盐等的化合物。接着，使这些原料充分干燥之后，以最终组成成为上述的范围内的比率进行称量。对于所述主成分与副成分的量的比，使合并主成分和副成分作为整体时的副成分的量的比为3质量％以下。该副成分的量的比优选为1质量％以下。
接着，使用球磨机或珠磨机等在有机溶剂中或水中将这些材料混合。然后，进行干燥。
在650～1100℃下将这些煅烧之后，例如，利用球磨机或珠磨机等在有机溶剂中或水中将该煅烧物粉碎，并进行干燥，由此可以得到压电陶瓷材料粉末。本发明的一个实施方式所涉及的压电陶瓷溅射靶材通过将所述压电陶瓷材料粉末烧结并进行外形加工而得到。
例如，在压电陶瓷材料粉末中加入粘结剂并进行造粒，使用单轴压制成型机或静水压成型机(CIP)等将该造粒粉挤压成型。另外，粘结剂的种类没有特别的限定，另外，如果在保型性、操作性以及烧结性等方面没有问题，也可以未必使用粘结剂。
在成型之后，例如，将该成型物加热进行脱粘结剂，进一步在950～1350℃下烧成2～8小时，由此可以得到压电陶瓷烧结体。另外，可以通过调整烧成温度或烧成时间、升温速度、降温速度、气氛等来控制平均粒径。
另外，为了使平均粒径在适当的范围，优选适度地降低成型体烧成时的升温速度。由此，可以得到优选的平均粒径。
接着，可以根据需要对得到的压电陶瓷烧结体实施调整外周或厚度的尺寸、调整表面粗糙度等的表面状态的加工，得到压电陶瓷溅射靶材1。
将铟等作为粘结剂将由此得到的压电陶瓷溅射靶材1粘接于垫板上，并安装于溅射装置上，用于成膜。
接着，对本发明的其它实施方式的压电陶瓷溅射靶材2的制造方法进行说明。直至称量～混合～煅烧～造粒为止与上述压电陶瓷溅射靶材1相同。
在进行了造粒之后，可以使用单轴压制成型机或静水压成型机(CIP)等将该造粒粉压制成型，得到成型体。此时的成型体的面积比完成后的靶材的最终面积小，为了得到完成后的靶材的最终面积，准备必要的2个以上的个数。
在成型之后，例如，将该成型物加热进行脱粘结剂，进一步在950～1350℃下烧成2～8小时，由此可以得到压电陶瓷烧结体。另外，根据主成分的组成，通过调整烧成温度或烧成时间、升温速度、降温速度、气氛等，可以控制平均粒径。
烧成后，根据需要调整外周或厚度的尺寸，或者调整表面粗糙度等的表面状态，将块贴紧时，以得到完成后的最终面积的方式构成。在此，分割线不一定为直线，也可以为同心圆或曲线。另外，外形也不一定为圆形，也可以为椭圆或四边形或多边形。
对于由此得到的压电陶瓷溅射靶材2，将铟等作为粘结剂，以块彼此紧贴的方式粘接于垫板上，安装于溅射装置上，在成膜中使用。
另外，对于图2所示的分割型的压电陶瓷溅射靶材2用于在得到压电陶瓷烧结体的工序中能够制作的压电陶瓷烧结体的尺寸不满足目标的压电陶瓷溅射靶材2的尺寸的情况，或为了提高压电陶瓷烧结体的密度而想确实地确保成型压力的情况，因此，其制造工序基本上与上述的压电陶瓷溅射靶材1的各个工序相同。但是，最终粘结于垫板上时，需要精密的面加工以使各个分割靶材可以没有间隙地装配。
(压电薄膜元件)
将铟作为粘结剂，将由此得到的压电陶瓷溅射靶材固定于铜制的垫板。
由此以下，“基体”是指各工序中的被成膜体。将作为基体的硅片设置于RF溅射装置的真空腔内，进行真空排气之后，作为下部电极层以膜厚50～350nm将Pt(铂)成膜。
接着，将该基体移至安装有带垫板的压电陶瓷溅射靶材的RF溅射装置的腔中，进行真空排气之后，相对于基体进行反溅射。将作为反溅射时的气氛气体的Ar(氩)提供给腔体内，在0.5～1.5Pa的压力下投入100～1000W的电力进行5～300秒的处理。
接着反溅射之后，作为压电体层，使用上述带垫板的压电陶瓷溅射靶材在基体上将无铅压电薄膜成膜。将成膜时的基体温度设定为500～800℃，将压电体层的厚度设定为1000～3500nm。
其后，对于上述电极Pt以膜厚50～350nm通过溅射进行成膜。由此，如图3所示，得到以基体100、下部电极200、无铅压电薄膜300、上部电极400的次序构成的压电薄膜元件1000。也可以根据需要进行切断加工或绝缘包覆。另外，压电薄膜元件1000只要是用下部电极200和上部电极400夹持无铅压电薄膜300的结构即可，也可以没有基体100。
实施例
以下，基于实施例以及比较例来更具体地说明本发明，但是本发明不限定于以下的实施例。
(比较例1)
按照以下的顺序制作如图1所示的压电陶瓷溅射靶材1。首先，准备Na2CO3(碳酸钠)粉末、K2CO3(碳酸钾)粉末、Nb2O5(氧化铌)粉末。使这些原料充分干燥之后，以最终组成成为下述式(1)的方式称量各原料。
(K0.400Na0.600)0.975NbO3 (1)
使用球磨机在乙醇中将上述称量的Na2CO3(碳酸钠)粉末、K2CO3(碳酸钾)粉末、Nb2O5(氧化铌)粉末充分混合之后，使之干燥，进行压制成型，在950℃下煅烧2小时。
将混合物煅烧之后，使用球磨机将该煅烧物在乙醇中充分地粉碎，再次进行干燥，加入粘结剂(PVA)溶液进行造粒。使用单轴压制成型机将得到的造粒粉压制成型，得到成型体。另外，如果制作上没有问题，也可以未必使用粘结剂。其后，进行CIP成型，将该成型体加热至600℃，进行脱粘结剂。进一步，在进行了CIP成型之后，在大气气氛中将升温速度设定为200℃/小时，在1100℃下烧成2小时，由此得到了压电陶瓷烧结体。对于得到的压电陶瓷烧结体，通过XRD(Rigaku Smart Lab)确认为钙钛矿结构，没有异相。
对于得到的压电陶瓷烧结体进行平面研磨，得到压电陶瓷溅射靶材1。将铟作为粘结剂将其固定于铜制的垫板上。
接着，为了确认压电陶瓷溅射靶材1成膜时的微粒产生，使用上述带垫板的压电陶瓷溅射靶材1进行溅射。以下，对溅射成膜工序的一个例子进行说明。
将作为基体的带热氧化膜(SiO2：绝缘层)的直径为3英寸、厚度为400μm的硅片设置于RF溅射装置的真空腔内，进行真空排气之后，作为电极层将Pt(铂)成膜。将成膜时的基体温度设定为400℃，将电极层的厚度设定为200nm。
接着，将基体移至安装有带垫板的压电陶瓷溅射靶材1的RF溅射装置的腔体内，进行真空排气之后，相对于基体进行反溅射。将作为反溅射时的气氛气体的Ar(氩)以50sccm提供给腔体内，在1Pa的压力下投入500W的电力进行30秒的处理。
在反溅射之后，作为压电体层，使用上述带垫板的压电陶瓷溅射靶材1在基体上将无铅压电薄膜成膜。将成膜时的基体温度设定为600℃，将压电体层的厚度设定为2000nm。
然后，在压电体层成膜之后，使用作为晶片表面检查装置的Topcon WM-3测定压电体层上的直径为0.2μm以上的微粒数。微粒密度通过微粒数除以晶片的面积而算出。
然后，根据对嵌入所述压电陶瓷溅射靶材(烧结体)的研磨截面进行了蚀刻处理后的扫描型电子显微镜照片，通过图像分析而求得结晶粒径的粒度分布。具体来说，使用图像处理软件Mac-view，用所述扫描型电子显微镜照片计量颗粒的大小和个数，将粒径作为Heywood径，用体积分布算出粒度分布。另外，所述扫描型电子显微镜照片的倍率设定为可以得到50个以上颗粒数的倍率。然后，求得平均粒径(D50)，将其作为压电陶瓷溅射靶材的平均粒径。
(实施例1～8、比较例2、3)
除了将作为压电陶瓷溅射靶材的主成分的复合氧化物的组成设定为式(1)，并且将烧成中的升温速度设定为如表1以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
以下，根据组成式分别使用原料。准备了Na2CO3(碳酸钠)粉末、K2CO3(碳酸钾)粉末、Li2CO3(碳酸锂)粉末、Nb2O5(氧化铌)粉末、Ta2O5(氧化钽)粉末、SrCO3(碳酸锶)粉末、ZrO2(氧化锆)粉末以及BaCO3(碳酸钡)。另外，作为副成分的原料，准备了CuO(氧化铜)和MnCO3(碳酸锰)。
(实施例9)
按照以下的顺序制作如图1所示的压电陶瓷溅射靶材1。使上述的原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(2)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.381Na0.571Sr0.048)0.975NbO3 (2)
(实施例10)
使上述的原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(3)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.381Na0.571Li0.048)0.975NbO3 (3)
(实施例11)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(4)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.362Na0.542Li0.048Sr0.048)0.975NbO3 (4)
(实施例12)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(5)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.400Na0.600)0.975(Nb0.900Ta0.100)O3 (5)
(实施例13)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(6)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.400Na0.600)0.975(Nb0.952Zr0.048)O3 (6)
(实施例14)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(7)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.400Na0.600)0.975(Nb0.857Ta0.095Zr0.048)O3 (7)
(实施例15)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(8)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.359Na0.540Li0.048Ba0.005Sr0.048)0.975(Nb0.857Ta0.095Zr0.048)O3 (8)
(实施例16)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(9)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.359Na0.540Li0.048Ba0.005Sr0.048)0.975(Nb0.857Ta0.095Zr0.048)O3+CuO O.5质量％(9)
(实施例17)
使原料充分地干燥之后，以最终组成成为下述式(10)的方式称量各原料，将烧成中的升温速度设定为如表1所示，除此以外，制作方法和评价方法与比较例1相同。
(K0.359Na0.540Li0.048Ba0.005Sr0.048)0.975(Nb0.857Ta0.095Zr0.048)O3+MnCO30.5质量％(10)
以下，使用表1来说明测定结果。
在表1中表示关于实施例1～17、比较例1～3的组成式、主烧成时的升温速度、压电陶瓷溅射靶材的平均粒径以及微粒密度。
另外，在表1中，由于在微粒密度为11.0×103个/m2以上的情况下多发生耐电压不良，因此，不优选，将判定记为×。在微粒密度为9.0×103个/m2以上且小于11.0×103个/m2的情况下，作为优选的膜，将判定记为△。在微粒密度为7.0×103个/m2以上且小于9.0×103个/m2的情况下，作为更优选的膜，将判定记为○。在微粒密度小于7.0×103个/m2的情况下，作为进一步更优选的膜，将判定记为◎。
[表1]
根据该结果，在使用将平均粒径控制在大于3μm且30μm以下的这些压电陶瓷溅射靶材制作无铅压电薄膜的情况下，可以降低无铅压电薄膜的微粒密度。特别是，在晶粒的平均粒径大于4μm且为20μm以下的范围、尤其是大于5μm且为15μm以下的范围的实施例中，发现有微粒密度显著降低的效果。
产业上利用的可能性
利用本发明的压电陶瓷溅射靶材制作的无铅压电薄膜由于减少了起因于微粒的附着而导致的缺陷，因此，可以提供不良率低且可靠性高的压电薄膜元件。例如，除了硬盘驱动器的磁头组合件的压电致动器或喷墨打印机以外，对于偏航传感器、加速度传感器、压力传感器、振动传感器、脉搏传感器等的压电传感器也有用。
Claims (7)
1.一种压电陶瓷溅射靶材，其特征在于，
所述压电陶瓷溅射靶材以化学式（I）：ABO3所表示的钙钛矿型氧化物为主成分，
所述化学式（I）的A成分至少含有K（钾）和/或Na（钠），
所述化学式（I）的B成分至少含有Nb（铌），
所述压电陶瓷溅射靶材由多个晶粒构成，
所述晶粒的平均粒径大于3μm且为30μm以下，
微粒密度小于11.0×103个/m2。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷溅射靶材，其特征在于，
所述A成分进一步含有Sr（锶）和/或Li（锂）。
3.如权利要求1或2所述的压电陶瓷溅射靶材，其特征在于，
所述B成分进一步含有Ta（钽）和/或Zr（锆）。
4.如权利要求1或2所述的压电陶瓷溅射靶材，其特征在于，
进一步含有Mn（锰）和/或Cu（铜）作为副成分，在将所述Mn（锰）换算成MnO（氧化锰）、将所述Cu（铜）换算成CuO（氧化铜）时，所述副成分相对于所述主成分为1质量%以下。
5.如权利要求3所述的压电陶瓷溅射靶材，其特征在于，
进一步含有Mn（锰）和/或Cu（铜）作为副成分，在将所述Mn（锰）换算成MnO（氧化锰）、将所述Cu（铜）换算成CuO（氧化铜）时，所述副成分相对于所述主成分为1质量%以下。
6.一种无铅压电薄膜，其特征在于，
使用权利要求1~5中任一项所述的压电陶瓷溅射靶材成膜而成。
7.一种压电薄膜元件，其特征在于，
由权利要求6所述的无铅压电薄膜、夹持所述无铅压电薄膜的下部电极以及上部电极构成。
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