CN110832654A - 压电薄膜元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电薄膜与下部电极层(第一电极层)之间的晶格不匹配减少了的压电薄膜元件。压电薄膜元件(10)具备第一电极层(6a)、和直接层叠于第一电极层(6a)的压电薄膜(2)，第一电极层(6a)包含由两种以上的金属元素构成的合金，第一电极层(6a)具有面心立方晶格结构，压电薄膜(2)具有纤锌矿型结构。

Description

压电薄膜元件
技术领域
本发明涉及一种压电薄膜元件。
背景技术
近年来，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)备受关注。所谓MEMS(微机电系统)，是指利用微细加工技术使机械要素部件及电子电路等集成在一个基板上而成的装置。在具有传感器、滤波器、采集机、或致动器等功能的MEMS中利用压电薄膜。在使用有压电薄膜的MEMS的制造中，在硅或蓝宝石等基板上层叠下部电极层、压电薄膜、及上部电极层。经过接下来的微细加工、图案化、或蚀刻等后续步骤，能获得具有任意特性的MEMS。通过选择特性优异的压电薄膜，可实现MEMS等压电薄膜元件的特性提高及小型化。
作为用于压电薄膜元件的压电薄膜，例如已知有AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)、CdS(硫化镉)、LiNbO3(铌酸锂)及PZT(锆钛酸铅)等。AlN、ZnO及CdS等具有纤锌矿型结构的压电薄膜与具有钙钛矿型结构的PZT相比，虽然正压电常数(d常数)较小，但相对介电常数(εr)较小。因此，对于设计上考虑压电输出系数(g常数＝d/ε0εr，ε0为真空的介电常数)的压电薄膜元件而言，具有纤锌矿型结构的压电薄膜是有力的候补材料(参照下述非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Rajan S.Naik et al.，IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL，2000，vol.47，p.292-296。
发明内容
然而，如下所述，在使用有具有纤锌矿型结构的压电薄膜的压电薄膜元件中存在几个问题。
最严重的问题为源自于结晶取向性的压电特性的劣化。具有纤锌矿型结构的压电薄膜表现压电特性的方向为纤锌矿型结构的(001)面，但不仅是纤锌矿型结构的非(001)面的存在会使压电特性劣化，(001)面的取向的波动也会使压电特性劣化。因此，抑制具有纤锌矿型结构的压电薄膜的结晶取向性的波动并提高(001)面的取向性较为重要。
例如，在上述非专利文献1所记载的AlN薄膜的制造方法中，为了提高AlN薄膜的结晶取向性，而变更对溅射靶的输入功率及溅射装置内的残留气体等的各条件。
然而，如上述非专利文献1所记载的AlN薄膜，在将具有纤锌矿型结构的压电薄膜直接层叠于下部电极层上的情况下，容易发生AlN薄膜与下部电极层间的晶格不匹配。晶格不匹配会使压电薄膜的结晶取向性劣化。通过结晶取向性的劣化，压电薄膜的压电特性也会劣化。另外，压电薄膜中的残留应力会因晶格不匹配而增加。残留应力会引起压电薄膜中的开裂(龟裂)。进而，晶格不匹配会使压电薄膜的表面平滑性劣化。压电薄膜的绝缘电阻会因表面平滑性的劣化而降低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种压电薄膜与下部电极层(第一电极层)间的晶格不匹配减少的压电薄膜元件。
解决技术问题的手段
本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜元件具备第一电极层、和直接层叠于第一电极层的压电薄膜，第一电极层包含由两种以上的金属元素构成的合金，第一电极层具有面心立方晶格结构，压电薄膜具有纤锌矿型结构。
在本发明的一个实施方式中，合金可包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的两种以上的元素。
在本发明的一个实施方式中，合金可由下述化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者表示，压电薄膜可包含氮化铝。
化学式3A：Pd(1-x)Nix
[上述化学式3A中，0.03＜x＜0.46。]
化学式3B：Pd(1-x)Irx
[上述化学式3B中，0.20＜x＜1.0。]
化学式3C：Ir(1-x)Nix
[上述化学式3C中，0≤x≤0.35。]
化学式3D：Pt(1-x)Nix
[上述化学式3D中，0.11＜x＜0.50。]
在本发明的一个实施方式中，合金可由下述化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者表示，压电薄膜可包含氧化锌。
化学式4A：Ag(1-y)Pdy
[上述化学式4A中，0.26＜y＜1.0。]
化学式4B：Ag(1-y)Niy
[上述化学式4B中，0.09＜y＜0.37。]
化学式4C：Au(1-y)Pdy
[上述化学式4C中，0.10＜y＜0.97。]
化学式4D：Au(1-y)Niy
[上述化学式4D中，0.04＜y＜0.33。]
化学式4E：Pt(1-y)Pdy
[上述化学式4E中，0＜y＜0.80。]
化学式4F：Pt(1-y)Niy
[上述化学式4F中，0＜y＜0.07。]
在本发明的一个实施方式中，合金可包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的三种以上的元素。
在本发明的一个实施方式中，合金可由下述化学式6A及化学式6B中的任一者表示，压电薄膜可包含氮化铝。
化学式6A：PdxNiyIrz
[上述化学式6A中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.46，0＜z＜1.0。]
化学式6B：PdxNiyPtz
[上述化学式6B中，0＜x＜0.97，0.03＜y＜0.5，0＜z＜0.89。]
在本发明的一个实施方式中，合金可由下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者表示，压电薄膜可包含氧化锌。
化学式7A：PdxNiyPtz
[上述化学式7A中，0＜x＜0.80，0＜y＜0.07，0.2＜z＜1.0。]
化学式7B：PdxNiyAgz
[上述化学式7B中，0＜x＜0.96，0＜y＜0.37，0.04＜z＜0.91。]
化学式7C：PdxNiyAuz
[上述化学式7C中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.33，0.03＜z＜0.96。]
在本发明的一个实施方式中，第一电极层的面心立方晶格结构的(111)面可在第一电极层与压电薄膜间的界面的法线方向上取向。
在本发明的一个实施方式中，第一电极层与压电薄膜间的晶格不匹配度可为0％以上且2％以下。
在本发明的一个实施方式中，第一电极层中的Al的含量可为0原子％以上且小于90原子％。
发明的效果
根据本发明，可提供一种压电薄膜与下部电极层(第一电极层)之间的晶格不匹配被减少的压电薄膜元件。
附图说明
图1中的(a)是本发明的一实施方式的压电薄膜元件的示意截面图，图1中的(b)是本发明的另一实施方式的压电薄膜元件的示意截面图。
图2是本发明的一个实施方式的压电薄膜元件的示意截面图。
符号说明
2、2F、2G……压电薄膜；3A、3C……第一导电端子；3B、3D……第二导电端子；6a、6I、6K……第一电极层；6b、6J、6L……第二电极层；10……压电薄膜元件；10b……压电薄膜元件(压电麦克风)；12、12a、12b、12C……基板；18A……第一开关；18B……第二开关；40……压电开关。
具体实施方式
以下，视情况参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。但是，本发明并不受到下述实施方式的任何限定。在附图中对相同或同等的构成要素标注相同的符号。
如图1中的(a)所示，本实施方式的压电薄膜元件10具备：基板12、层叠于基板12的第一电极层6a、直接层叠于第一电极层6a的压电薄膜2、和层叠于压电薄膜2的第二电极层6b。其中，基板12及第二电极层6b对于本发明所涉及的压电薄膜元件而言并非必需。第一电极层6a可换称作下部电极层。第二电极层6b可换称作上部电极层。
第一电极层6a包含由两种以上的金属元素构成的合金，第一电极层6a具有面心立方晶格结构。换言之，第一电极层6a中包含的合金由两种以上的金属元素构成，且具有面心立方晶格结构。第一电极层6a可仅由具有面心立方晶格结构的上述合金构成。
压电薄膜2具有纤锌矿型结构。即，压电薄膜2可包含具有纤锌矿型结晶结构的压电组合物。压电薄膜2中包含的压电组合物例如可包含选自AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)、ZnS(硫化锌)、ZnTe(碲化锌)、CdS(硫化镉)、CdSe(硒化镉)及CdTe(碲化镉)中的至少一种压电组合物。压电薄膜2可仅由具有纤锌矿型结构的上述压电组合物构成。在构成压电薄膜2的上述元素以外，压电薄膜2也可在不损害压电薄膜2与第一电极层6a的晶格匹配的范围内包含其它添加元素。压电薄膜2可由具有纤锌矿型结构的多种压电层构成。也可在压电薄膜2与第一电极层6a之间配置具有纤锌矿型结构的另一压电薄膜。也可在压电薄膜2与第二电极层6b之间配置具有纤锌矿型结构的另一压电薄膜。第二电极层6b也可直接层叠于压电薄膜2。
压电薄膜2的纤锌矿型结构容易与第一电极层6a的面心立方晶格结构匹配。例如，第一电极层6a与压电薄膜2之间的晶格不匹配度的绝对值可为0％以上且2％以下、或0.06％以上且1.51％以下。因此，具有纤锌矿型结构的压电薄膜2的表现压电特性的(001)面(或(002)面)容易在基板12的表面的法线方向上取向，从而压电薄膜2的结晶取向性提高。即，在本实施方式中，(001)面的取向的波动在基板12的表面的法线方向上被抑制，从而该方向上的非(001)面的取向被抑制。通过压电薄膜2的结晶取向性的提高，压电薄膜2的压电特性提高。所谓基板12的表面的法线方向，可换称作第一电极层6a与压电薄膜2间的界面的法线方向。另外，第一电极层6a与压电薄膜2间的晶格不匹配度Δa/a由下述式1进行定义。
式1中，aele.为压电薄膜2的成膜温度T℃(例如300℃)下的第一电极层6a的面心立方晶格结构的晶格常数。在室温(27℃)下的第一电极层6a的面心立方晶格结构的晶格常数被表示为aele.0，且第一电极层6a的热膨胀系数被表示为CTEele.时，T℃下的aele.等于aele.0+CTEele.×(T-27)。awurt.为压电薄膜2的成膜温度(例如300℃)下的压电薄膜2的纤锌矿型结构的晶格常数。在室温(27℃)下的压电薄膜2的纤锌矿型结构的晶格常数被表示为awurt.0，且压电薄膜2的热膨胀系数被表示为CTEwurt.时，T℃下的awurt.等于awurt.0+CTEwurt.×(T-27)。
压电薄膜2的纤锌矿型结构的(002)面的摇摆曲线的半峰全宽(FWHM)可为0°以上且2.0°以下。第一电极层6a与压电薄膜2之间的晶格不匹配度的绝对值越小，则压电薄膜2的(002)面越容易取向，摇摆曲线的半峰全宽越小。并且有摇摆曲线的半峰全宽越小，则压电薄膜元件10的d33越大的倾向。
第一电极层6a的面心立方晶格结构的(111)面可在第一电极层6a与压电薄膜2间的界面的法线方向上取向。面心立方晶格结构的(111)面内的原子排列容易与纤锌矿型结构的(001)面内的原子排列匹配。因此，压电薄膜2的(001)面容易与第一电极层6a的(111)面平行地取向。例如，(001)面取向的多个压电组合物的柱状结晶容易在第一电极层6a的(111)面上一致地生长，压电薄膜2整体的结晶取向性容易提高。
通过第一电极层6a与压电薄膜2之间的晶格不匹配被减少，而压电薄膜2中的残留应力也降低。通过残留应力的降低，而压电薄膜2中的开裂也得到抑制，从而压电薄膜2的压电特性提高。另外，通过压电薄膜2中的开裂的抑制，压电薄膜2从第一电极层6a的剥离得到抑制，或压电薄膜2的制造中的成品率提高。作为参考例，基板12为Si基板，第一电极层为W，压电薄膜为AlN的情况下的残留应力σ(单位：GPa)由下述数式2表示。但是，第一电极层仅由W构成的压电薄膜在本发明的技术范围外。
Figure BDA0002353265930000071
式2中的E为压电薄膜2的杨氏模量(单位：GPa)。ν为压电薄膜2的帕松比(Poisson's ratio)。aele.为第一电极层(W)的晶格常数。aAlN为压电薄膜(AlN)的晶格常数。(aele.-aAlN)/aele.为第一电极层(W)与压电薄膜(AlN)间的晶格不匹配度。αAlN为压电薄膜(AlN)的热膨胀系数，约为4.2×10-6/℃。αSi为硅基板(Si)的热膨胀系数，约为3.0×10-6/℃。εmisfit为源自第一电极层(W)与压电薄膜(AlN)间的晶格不匹配度的因子。εthermal为源自硅基板(Si)与压电薄膜(AlN)间的热膨胀系数之差的因子。如式2所示，通过使第一电极层(W)与压电薄膜(AlN)间的晶格不匹配减少，而压电薄膜中的残留应力σ减少。另外，通过使硅基板(Si)与压电薄膜(AlN)间的热膨胀系数之差降低，而压电薄膜中的残留应力σ减少。在假定在300℃下制作压电薄膜的情况下，εmisfit约为2.52％，εthermal为3.28×10-4％。这些数值暗示晶格不匹配及热膨胀系数差中的晶格不匹配对于压电薄膜的残留应力而言为支配性的因素。
通过第一电极层6a与压电薄膜2间的晶格不匹配减少，而压电薄膜2的表面容易变得平滑。此处，所谓压电薄膜2的表面，是指压电薄膜2的面对第二电极层6b的表面，压电薄膜2的面对第一电极层6a的表面的背面。通过压电薄膜2的表面的平滑性提高，而压电薄膜2的绝缘电阻提高。其理由如下所述。
在第一电极层6a与压电薄膜2间的晶格不匹配度较大的情况下，通过Volmer-Weber型的岛状生长形成压电薄膜2，故而压电薄膜2的表面变粗糙。在对表面粗糙的压电薄膜2施加电场的情形时，压电薄膜2的表面的电场分布容易不均，压电薄膜2的表面的局部(例如凸部)的电场强度容易变得过高。其结果，会发生压电薄膜2中的绝缘破坏。另一方面，在第一电极层6a与压电薄膜2间的晶格不匹配度较小的情形时，经由层状(Frank-Van derMerwe)型的逐层生长形成压电薄膜2，故而压电薄膜2的表面容易变得平滑。在对表面平滑的压电薄膜2施加电场的情形时，压电薄膜2的表面的电场分布容易变得均匀。其结果，不易发生压电薄膜2中的绝缘破坏。
第一电极层6a中包含的合金可包含选自Pt(铂)、Ir(铱)、Au(金)、Rh(铑)、Pd(钯)、Ag(银)、Ni(镍)、Cu(铜)及Al(铝)中的两种以上的元素。在合金包含这些金属元素的情形时，第一电极层6a容易具有面心立方晶格结构，压电薄膜2与第一电极层6a的晶格不匹配容易减少。除构成合金的上述金属以外，第一电极层6a也可在不损害压电薄膜2与第一电极层6a的晶格匹配的范围内包含其它添加元素。第一电极层6a中的Al的含量可为0原子％以上且小于90原子％。在第一电极层6a中的Al的含量小于90原子％的情形时，有第一电极层6a的结晶结构的面心立方晶格结构不易受损，第一电极层6a与压电薄膜2的晶格不匹配度容易变小的倾向。
在假设通过对压电薄膜2施加电场而使作为电荷的载体的氧(O2-)自第一电极层6a向压电薄膜2内导入/扩散的情形时，容易经由压电薄膜2中的氧(载荷通路)产生漏电流，容易发生压电薄膜2中的绝缘破坏。但是，在第一电极层6a中包含的合金包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的两种以上的元素的情形时，合金难以氧化。通过难以氧化的合金构成第一电极层6a，氧难以从第一电极层6a向压电薄膜2内导入/扩散。其结果，压电薄膜2中的漏电流得到抑制，不易发生压电薄膜2中的绝缘破坏。
在压电薄膜2包含氮化铝的情形时，第一电极层6a中包含的合金可由下述化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者表示。在第一电极层6a中包含的合金由下述化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者表示的情形时，(001)面取向的多个AlN的柱状结晶容易在第一电极层6a的(111)面上一致地生长，压电薄膜2(AlN)与第一电极层6a的晶格不匹配容易减少，晶格不匹配度的绝对值容易成为2％以下。通常，合金的氧化反应中的自由能变化ΔG为负值，ΔG的绝对值越大，则合金越容易氧化。即，合金经由氧化而热力学上稳定。但是，化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者所表示的合金的氧化反应中的自由能变化ΔG虽然为负值，但有ΔG的绝对值相对较小的倾向。因此，化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者所表示的合金难以氧化，容易抑制压电薄膜2中的绝缘破坏。化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG可由公知的埃林汉姆图(Ellingham diagram)计算。
化学式3A：Pd(1-x)Nix
[上述化学式3A中，0.03＜x＜0.46。]
化学式3B：Pd(1-x)Irx
[上述化学式3B中，0.20＜x＜1.0。]
化学式3C：Ir(1-x)Nix
[上述化学式3C中，0≤x≤0.35。]
化学式3D：Pt(1-x)Nix
[上述化学式3D中，0.11＜x＜0.50。]
在压电薄膜2包含氧化锌的情形时，第一电极层6a中包含的合金可由下述化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者表示。在第一电极层6a中包含的合金由下述化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者表示的情形时，(001)面取向的多个ZnO的柱状结晶容易在第一电极层6a的(111)面上一致地生长，压电薄膜2(ZnO)与第一电极层6a的晶格不匹配容易减少，晶格不匹配度的绝对值容易成为2％以下。另外，化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者所表示的合金的氧化反应中的自由能变化ΔG虽然为负值，但有ΔG的绝对值相对较小的倾向。因此，化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者所表示的合金难以氧化，容易抑制压电薄膜2中的绝缘破坏。化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG可由公知的埃林汉姆图计算。
化学式4A：Ag(1-y)Pdy
[上述化学式4A中，0.26＜y＜1.0。]
化学式4B：Ag(1-y)Niy
[上述化学式4B中，0.09＜y＜0.37。]
化学式4C：Au(1-y)Pdy
[上述化学式4C中，0.10＜y＜0.97。]
化学式4D：Au(1-y)Niy
[上述化学式4D中，0.04＜y＜0.33。]
化学式4E：Pt(1-y)Pdy
[上述化学式4E中，0＜y＜0.80。]
化学式4F：Pt(1-y)Niy
[上述化学式4F中，0＜y＜0.07。]
第一电极层6a中包含的合金可包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的三种以上的元素。
在压电薄膜2包含氮化铝的情形时，第一电极层6a中包含的合金可由下述化学式6A及化学式6B中的任一者表示。在第一电极层6a中包含的合金由下述化学式6A及化学式6B中的任一者表示的情形时，(001)面取向的多个AlN的柱状结晶容易在第一电极层6a的(111)面上一致地生长，压电薄膜2(AlN)与第一电极层6a的晶格不匹配容易减少，晶格不匹配度的绝对值容易成为2％以下。另外，下述化学式6A及化学式6B中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG虽然为负值，但有ΔG的绝对值相对较小的倾向。因此，下述化学式6A及化学式6B中的任一者所表示的合金难以氧化，容易抑制压电薄膜2中的绝缘破坏。下述化学式6A及化学式6B中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG可由公知的埃林汉姆图计算。
化学式6A：PdxNiyIrz
[上述化学式6A中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.46，0＜z＜1.0。]
化学式6B：PdxNiyPtz
[上述化学式6B中，0＜x＜0.97，0.03＜y＜0.5，0＜z＜0.89。]
在压电薄膜2包含氧化锌的情形时，第一电极层6a中包含的合金可由下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者表示。在第一电极层6a中包含的合金由下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者表示的情形时，(001)面取向的多个ZnO的柱状结晶容易在第一电极层6a的(111)面上一致地生长，压电薄膜2(ZnO)与第一电极层6a的晶格不匹配容易减少，晶格不匹配度的绝对值容易成为2％以下。另外，下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG虽然为负值，但有ΔG的绝对值相对较小的倾向。因此，下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者所表示的合金难以氧化，容易抑制压电薄膜2中的绝缘破坏。下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者所表示的合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG可由公知的埃林汉姆图计算。
化学式7A：PdxNiyPtz
[上述化学式7A中，0＜x＜0.80，0＜y＜0.07，0.2＜z＜1.0。]
化学式7B：PdxNiyAgz
[上述化学式7B中，0＜x＜0.96，0＜y＜0.37，0.04＜z＜0.91。]
化学式7C：PdxNiyAuz
[上述化学式7C中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.33，0.03＜z＜0.96。]
基板12例如可为半导体基板(硅基板或砷化镓基板等)、光学晶体基板(蓝宝石基板等)、绝缘体基板(玻璃基板或陶瓷基板等)或金属基板。第一电极层6a例如可层叠于基板12的(100)面。用于下述其它压电薄膜元件的基板的组成可与图1所示的基板12的组成相同。
第一电极层6a可直接层叠于基板12。与第一电极层6a与基板12之间夹存有其它电极层(例如具有体心立方晶格结构的电极层)的情形相比，直接层叠于基板12的第一电极层6a的面心立方晶格结构不易受损，第一电极层6a与压电薄膜2间的晶格不匹配容易减少。
第一电极层6a与基板12之间可夹存有密接层。密接层可为选自Mg(镁)、Cu(铜)、Al(铝)、Ni(镍)、Cr(铬)、Ti(钛)、Hf(铪)、Zr(锆)、Nb(铌)及Ta(钽)中的至少一种。密接层可为金属单体、合金或化合物(氧化物等)。密接层也可由另一压电薄膜、高分子、或陶瓷构成。通过夹存有密接层，而第一电极层6a的面心立方晶格结构的(111)面容易在基板12的法线方向上取向。另外，密接层也具有抑制由机械性冲击等所导致的第一电极层6a的剥离的功能。密接层可换称作支持层、缓冲层或中间层。
第二电极层6b可为金属单体，也可为合金。第二电极层6b可包含与第一电极层6a相同的金属元素。第二电极层6b的组成可与第一电极层6a完全相同。第二电极层6b的组成也可与第一电极层6a不同。例如，第二电极层6b可为选自Pt(铂)、Ir(铱)、Pd(钯)、Au(金)、Mg(镁)、Cu(铜)、Al(铝)、Ni(镍)、Cr(铬)、Ti(钛)、Hf(铪)、Zr(锆)、Nb(铌)、Ta(钽)、Mo(钼)、W(钨)及V(钒)中的至少一种。
压电薄膜2可包含选自Sc(钪)、Y(钇)及In(铟)中的至少一种添加元素。压电薄膜2可包含选自Ti(钛)、Zr(锆)及Hf(铪)中的至少一种4价元素作为添加元素。除上述4价元素以外，压电薄膜2也可包含Mg(镁)作为添加元素。压电薄膜2也可包含选自V(钒)、Nb(铌)及Ta(钽)中的至少一种5价元素作为添加元素。通过压电薄膜2包含一种或多种上述添加元素，从而存在如下情形：纤锌矿型结构的晶格常数得到调整，具有纤锌矿型结构的多种压电组合物的柱状结晶在第一电极层6上一致地生长而压电薄膜2的压电特性提高。
基板12的厚度例如可为50μm以上且10000μm以下。第一电极层6a的厚度例如可为0.01μm以上且1μm以下。压电薄膜2的厚度例如可为0.1μm以上且30μm以下。第二电极层6b的厚度例如可为0.01μm以上且1μm以下。
第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各者例如可经由使用多个靶的溅射(共溅射或多道溅射)按照层叠顺序个别地形成。多个靶可包含构成上述各层或压电薄膜的元素中的至少一种。通过选定及组合具有特定组成的靶，可各自分别地形成具有目标组成的第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b。溅射的气氛的组成也影响第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各自的组成。例如，在压电薄膜2为AlN的情形时，溅射的气氛例如可为氮气。溅射的气氛也可为包含稀有气体(例如氩气)及氮气的混合气体。赋予多个靶各自的输入功率(电力密度)也为第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各自的组成及厚度的控制因子。靶可为金属单体，也可为合金。溅射的气氛的全压、气氛中的原料气体(例如氮气)的分压或浓度、各靶的溅射的持续时间、供压电薄膜形成的基板表面的温度、及基板偏压等也为第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各自的组成及厚度的控制因子。可经由蚀刻(例如等离子体蚀刻)形成具有所需的形状或图案的压电薄膜。
第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各自的结晶结构可经由X射线衍射(XRD)法进行特定。第一电极层6a、压电薄膜2及第二电极层6b各自的组成可经由荧光X射线分析法(XRF法)、能量分散型X射线分析法(EDX)、感应耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、激光烧蚀感应耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)、及使用电子探针显微分析仪(EPMA)的分析法中的至少任一种分析方法进行特定。
本实施方式的压电薄膜元件10的用途多种多样。压电薄膜元件例如可为压电麦克风、采集机、振荡器、共振器、或音响多层膜。压电薄膜元件例如也可为压电致动器。压电致动器例如可用在磁头组件、磁头臂组件、或硬盘驱动器。压电致动器例如也可用于打印头、或喷墨打印机装置。压电致动器也可用于压电开关。压电薄膜元件例如也可为压电传感器。压电传感器例如可用在陀螺仪传感器、压力传感器、脉冲传感器、超声波传感器、或震动传感器。上述各压电薄膜元件可为MEMS的一部分或全部。例如，图1中的(a)、图1中的(b)、及图2所示的各压电薄膜元件(10、10b、40)可为MEMS的一部分。
以下详细地对压电薄膜元件的各具体例进行说明。
图1中的(b)所示的压电薄膜元件10b可为具备基板12a、12b、设置在基板12a、12b上的第一电极层6a、层叠于第一电极层6a的压电薄膜2、及层叠于压电薄膜2的第二电极层6b的压电麦克风。可在压电薄膜2的下方设置音响用空腔12c。
图2所示的压电薄膜元件为压电开关40。压电开关40具备：基板12C、设置在基板12C的表面的第一开关18A、设置在第一开关18A的前端且面向基板12C的第一导电端子3A、设置在基板12C的表面且与第一导电端子3A面对面的第二导电端子3B、设置在基板12C的表面且与第一开关18A相隔的第二开关18B、设置在第二开关18B的前端且面向基板12C的第一导电端子3C、及设置在基板12C的表面且与第一导电端子3C面对面的第二导电端子3D。第一开关18A具有第一电极层6I、第二电极层6J、及夹在第一电极层6I及第二电极层6J之间的压电薄膜2F。第二开关18B具有第一电极层6K、第二电极层6L、及夹在第一电极层6K及第二电极层6L之间的压电薄膜2G。通过第一开关18A的动作，压电薄膜2F变形，第一开关18A的前端靠近基板12C的表面，第一导电端子3A与第二导电端子3B连接。通过第二开关18B的动作，压电薄膜2G变形，第二开关18B的前端靠近基板12C的表面，第一导电端子3C与第二导电端子3D连接。第一开关18A所具有的压电薄膜2F的厚度与第二开关18B所具有的压电薄膜2G的厚度相比较薄。因此，第一开关18A的闭动电压与第二开关18B的闭动电压不同。
实施例
以下，经由实施例及比较例更加详细地对本发明进行说明，但本发明不受这些例子的任何限定。
(实施例1)
经由真空腔内的DC(Direct Current，直流)磁控溅射在硅的单晶基板的整个(100)面上直接形成由氧化钛构成的密接层。单晶基板的厚度为625μm。密接层的厚度为5×10-3μm。
通过真空腔内的DC磁控溅射在密接层的整个表面上直接形成第一电极层。在DC磁控溅射中同时进行多种金属单体的靶的溅射。作为靶，使用下述表1所示的金属元素EX及金属元素EZ各自的单体。实施例1的情形时的金属元素EX为Pt。实施例1的情形时的金属元素EZ为Ni。实施例1中未使用金属元素EY的靶。实施例1的第一电极层包含化学式PtxNiz所表示的合金，具有面心立方(FCC)晶格结构。x为化学式PtxNiz中的Pt的摩尔比。z为PtxNiz中的Ni的摩尔比。经由调整对各靶的输入功率，而将x及z调整为下述表1所示的值。
通过真空腔内的RF(Radio Frequency，射频)磁控溅射在第一电极层的整个表面上直接形成具有纤锌矿型结构的由AlN构成的压电薄膜。RF磁控溅射中使用铝单体的靶。RF磁控溅射中的输入功率为9.87W/cm2。压电薄膜的形成过程中的基板的温度(成膜温度)维持为300℃。压电薄膜的形成过程中的真空腔内的气氛为氩气及氮气的混合气体。真空腔内的混合气体的气压调整为0.30Pa。压电薄膜的厚度调整为1.3μm。
用与第一电极层的情形相同的方法在压电薄膜的整个表面上直接形成第二电极层。第二电极层的组成与第一电极层的组成完全相同。第二电极层的厚度与第一电极层的厚度完全相同。
上述第一电极层及压电薄膜各自的结晶结构经由X射线衍射(XRD)法进行特定。上述第一电极层、压电薄膜及第二电极层各自的组成经由荧光X射线分析法(XRF法)及激光烧蚀感应耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)进行分析。XRD法中使用Rigaku Corporation制造的多功能X射线衍射装置(SmartLab)。XRF法中使用Rigaku Corporation制造的分析装置(ZSX-100e)。LA-ICP-MS法中使用Agilent公司制造的分析装置(7500s)。
如上所述般制作了具备基板、直接层叠于基板的密接层、直接层叠于密接层的第一电极层、直接层叠于第一电极层的压电薄膜、及直接层叠于压电薄膜的第二电极层的层叠体。继而，通过光刻法(photolithography)进行基板上的层叠结构的图案化。继而，通过利用切割(dicing)将层叠体整体切断，而获得四方形的实施例1的压电薄膜元件。压电薄膜元件具备：基板、直接层叠于基板的密接层、直接层叠于密接层的第一电极层、直接层叠于第一电极层的压电薄膜、及直接层叠于压电薄膜的第二电极层。
[压电薄膜元件的分析]
经由以下方法对实施例1的压电薄膜元件进行分析。
＜晶格不匹配度Δa/a的计算＞
计算第一电极层与压电薄膜间的晶格不匹配度Δa/a。实施例1的Δa/a为下述表2所示的值。
＜ΔG的计算＞
由公知的埃林汉姆图计算实施例1的构成第一电极层的Pt-Ni合金的氧化反应中的吉布斯自由能变化ΔG。实施例1的ΔG为下述表2所示的值。
＜摇摆曲线的测定＞
测定用于实施例1的压电薄膜元件的制作的硅的单晶基板的(400)面的摇摆曲线。测定时使用上述X射线衍射装置。摇摆曲线的测定范围为来自硅的(400)面的衍射波峰的最大值的衍射角±0.5°。测定间隔为0.01°。测定速度为2.0°/分钟。硅的单晶基板的(400)面的摇摆曲线的半峰全宽为0.05°。因此，可谓在下述压电薄膜的(002)面的摇摆曲线的半峰全宽为0.05°以上的情形时，压电薄膜的摇摆曲线的半峰全宽暗示压电薄膜的(002)面的取向性。
测定形成第二电极层前的实施例1的压电薄膜(AlN)的(002)面的摇摆曲线。摇摆曲线的测定范围为来自AlN的(002)面的衍射波峰的最大值的衍射角(36°)±15°。除此以外，用与硅的(400)面的情形相同的方法测定了实施例1的压电薄膜的(002)面的摇摆曲线。实施例1的压电薄膜的(002)面的摇摆曲线的半峰全宽FWHM(wurt.)为下述表2所示的值。
＜残留应力σ的计算＞
按照以下顺序计算实施例1的压电薄膜元件所具备的压电薄膜的残留应力σ。首先，测定形成压电薄膜前的基板(即由基板、密接层及第一电极层构成的层叠体)的曲率半径RBefore。继而，测定形成压电薄膜后的基板(即包含基板、密接层、第一电极层及压电薄膜的层叠体)的曲率半径RAfter。RBefore及RAfter各自的测定中使用KLA-Tencor公司制造的测定装置(P-16轮廓测试仪)。并且，根据下述数学式3(Stoney公式)计算实施例1的残留应力σ。正残留应力σ为拉伸应力，负残留应力σ为压缩应力。实施例1的残留应力σ为下述表1所示的值。
Figure BDA0002353265930000161
数学式3中的E为硅的单晶基板的杨氏模量(单位：GPa)。ν为压电薄膜的帕松比。tsub.为硅的单晶基板的厚度。tfilm为压电薄膜的厚度。
＜开裂率的测定＞
将100mm×100mm的板状的实施例1的压电薄膜元件切断而制作10mm见方的100个样品。利用光学显微镜对100个样品中的压电薄膜发生开裂的样品的数量n进行计数。实施例1的开裂率(即n％)为下述表1所示的值。
＜机电耦合系数kt 2的计算＞
测定实施例1的压电薄膜元件的共振频率fr及反共振频率fa。共振频率fr为使用有压电薄膜元件的共振电路的阻抗最小时的频率。反共振频率fa为使用有压电薄膜元件的共振电路的阻抗最大时的频率。共振频率fr及反共振频率fa的测定的详细情况如下所述。
测定装置：Agilent Technologies公司制造的网络分析器(N5244A)
探针：GS500μm(Cascade Microtech公司制造的ACP40-W-GS-500)
功率：-10dBm
测定间距：0.25MHz
电极面积：200×200μm2
S11测定(反射测定)
根据下述数学式4由共振频率fr及反共振频率fa的测定值计算机电耦合系数kt 2(单位：％)。用于机电耦合系数kt 2的计算的共振频率fr及反共振频率fa均为5点测定平均值。实施例1的机电耦合系数kt 2为下述表1所示的值。
Figure BDA0002353265930000171
＜压电常数d33的测定＞
测定了实施例1的压电薄膜的压电常数d33(单位：pC/N)。压电常数d33的测定的详细情况如下所述。实施例1的压电常数d33(3点测定点平均值)为下述表1所示的值。
测定装置：中国科学院制造的d33测定计(ZJ-4B)
频率：110Hz
夹持压力：0.25N
＜绝缘电阻率IR的测定＞
测定实施例1的压电薄膜的绝缘电阻率IR。测定IR时使用ADVANTEST公司制造的测定装置(R8340A)。测定绝缘电阻率IR时，对压电薄膜施加1V/μm的电场。如上所述，压电薄膜的厚度为1.3μm。第一电极层及第二电极层各者中施加有电场的部分的面积为600×600μm2。实施例1的绝缘电阻率IR为下述表1所示的值。
(实施例2～9)
在实施例2～9各自的第一电极层的制作中，如下述表1所示，使用了金属元素EX、EY及EZ中的至少两种金属单体的靶。各实施例的第一电极层是由通常的化学式EXxEYyEZz表示。x为化学式EXxEYyEZz中的金属元素EX的摩尔比。y为化学式EXxEYyEZz中的金属元素EY的摩尔比。z为化学式EXxEYyEZz中的金属元素EZ的摩尔比。实施例2～9各自的第一电极层的组成示于下述表1。实施例2～9各自的第一电极层均包含具有面心立方晶格结构的合金。实施例8及9中，在氧化气氛中进行锌单体的靶的溅射而制作包含ZnO的压电薄膜。
除以上事项以外，经由与实施例1相同的方法个别地制作实施例2～9各自的压电薄膜元件。
经由与实施例1相同的方法对实施例2～9各自的压电薄膜元件进行分析。实施例2～9各自的分析结果示于下述表2。
(比较例1～4)
在比较例1～4各自的第一电极层的制作中，如下述表1所示，仅使用金属元素EX、EY及EZ中的一种金属单体的靶。如下述表1所示，比较例1～4各自的第一电极层的组成为与靶相同的金属单体。比较例1～4各自的第一电极层的结晶结构均为面心立方晶格(FCC)结构。比较例4中，在氧化气氛中进行锌单体的靶的溅射而制作包含ZnO的压电薄膜。
除以上事项以外，经由与实施例1相同的方法个别地制作比较例1～4各自的压电薄膜元件。
用与实施例1相同的方法进行比较例1～4各自的压电薄膜元件的评价。比较例1～4各自的评价结果示于下述表2。
晶格不匹配度Δa/a优选为作为目标值的2％以下。
摇摆曲线的半峰全宽FWHM(wurt.)优选为作为目标值的2.0°以下。
开裂率优选为作为目标值的1％以下。
机电耦合系数kt 2优选为作为目标值的6％以上。
压电常数d33优选为作为目标值的6.0pC/N以上。
绝缘电阻率IR优选为作为目标值的1.0×1013Ω·cm以上。
下述表2中的品质A，是指达成FWHM(wurt.)、开裂率、kt 2、d33及IR的5个评价项目的全部目标值。
下述表2中的品质B，是指达成Δa/a、FWHM(wurt.)、开裂率、kt 2、d33及IR中的3个或4个评价项目的目标值。
下述表2中的品质C，是指达成目标值的评价项目数为2以下。
[表1]
Figure BDA0002353265930000191
[表2]
Figure BDA0002353265930000192
[产业上的可利用性]
根据本发明，能提供一种压电薄膜与下部电极层(第一电极层)之间的晶格不匹配减少的压电薄膜元件(例如MEMS)。

Claims (10)

1.一种压电薄膜元件，其中，
具备：第一电极层、和
直接层叠于所述第一电极层的压电薄膜，
所述第一电极层包含由两种以上的金属元素构成的合金，
所述第一电极层具有面心立方晶格结构，
所述压电薄膜具有纤锌矿型结构。
2.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，
所述合金包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的两种以上的元素。
3.如权利要求2所述的压电薄膜元件，其中，
所述合金由下述化学式3A、化学式3B、化学式3C及化学式3D中的任一者表示，
所述压电薄膜包含氮化铝，
化学式3A：Pd(1-x)Nix，
所述化学式3A中，0.03＜x＜0.46；
化学式3B：Pd(1-x)Irx，
所述化学式3B中，0.20＜x＜1.0；
化学式3C：Ir(1-x)Nix，
所述化学式3C中，0≤x≤0.35；
化学式3D：Pt(1-x)Nix，
所述化学式3D中，0.11＜x＜0.50。
4.如权利要求2所述的压电薄膜元件，其中，
所述合金由下述化学式4A、化学式4B、化学式4C、化学式4D、化学式4E及化学式4F中的任一者表示，
所述压电薄膜包含氧化锌，
化学式4A：Ag(1-y)Pdy，
所述化学式4A中，0.26＜y＜1.0；
化学式4B：Ag(1-y)Niy，
所述化学式4B中，0.09＜y＜0.37；
化学式4C：Au(1-y)Pdy，
所述化学式4C中，0.10＜y＜0.97；
化学式4D：Au(1-y)Niy，
所述化学式4D中，0.04＜y＜0.33；
化学式4E：Pt(1-y)Pdy，
所述化学式4E中，0＜y＜0.80；
化学式4F：Pt(1-y)Niy，
所述化学式4F中，0＜y＜0.07。
5.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，
所述合金包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu及Al中的三种以上的元素。
6.如权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，
所述合金由下述化学式6A和化学式6B中的任一者表示，
所述压电薄膜包含氮化铝，
化学式6A：PdxNiyIrz，
所述化学式6A中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.46，0＜z＜1.0；
化学式6B：PdxNiyPtz，
所述化学式6B中，0＜x＜0.97，0.03＜y＜0.5，0＜z＜0.89。
7.如权利要求5所述的压电薄膜元件，其中
所述合金由下述化学式7A、化学式7B及化学式7C中的任一者表示，
所述压电薄膜包含氧化锌，
化学式7A：PdxNiyPtz，
所述化学式7A中，0＜x＜0.80，0＜y＜0.07，0.2＜z＜1.0；
化学式7B：PdxNiyAgz，
所述化学式7B中，0＜x＜0.96，0＜y＜0.37，0.04＜z＜0.91；
化学式7C：PdxNiyAuz，
所述化学式7C中，0＜x＜0.97，0＜y＜0.33，0.03＜z＜0.96。
8.如权利要求1～7中任一项所述的压电薄膜元件，其中，
所述第一电极层的所述面心立方晶格结构的(111)面在所述第一电极层与所述压电薄膜之间的界面的法线方向上取向。
9.如权利要求1～8中任一项所述的压电薄膜元件，其中
所述第一电极层与所述压电薄膜之间的晶格不匹配度为0％以上且2％以下。
10.如权利要求1～9中任一项所述的压电薄膜元件，其中
所述第一电极层中的Al的含量为0原子％以上且小于90原子％。
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