CN111384229B - 薄膜层叠体、薄膜元件及层叠型基板 - Google Patents

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Abstract

薄膜层叠体具备：由金属构成的金属层和层叠于金属层的表面的薄膜，第一方向被定义为与金属层的表面平行的一个方向，第二方向被定义为与金属层的表面平行，且与第一方向交叉的一个方向，金属层包含多个第一金属粒及多个第二金属粒，第一金属粒由金属构成，在金属层的表面上沿着第一方向延伸，第二金属粒由金属构成，在金属层的表面上沿着第二方向延伸。

Description

薄膜层叠体、薄膜元件及层叠型基板
技术领域
本发明涉及薄膜层叠体、薄膜元件及层叠型基板。
背景技术
近年来，使用电介质的薄膜代替块状的电介质的介电薄膜元件的实用化正在发展。(参照日本特开2008－305916号公报、日本特别2001－88294号公报、日本特开2015－25166号公报、日本特开2001－313429号公报。)作为介电薄膜元件的一例，已知使用压电体的薄膜(压电薄膜)的压电薄膜元件。在利用正压电效应的压电薄膜元件中，当对压电薄膜施加应力使压电薄膜变形时，产生与压电薄膜的变形量成比例的电压。利用正压电效应的压电薄膜元件例如是陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏传感器、冲击传感器、麦克风等。另一方面，在利用逆压电效应的压电薄膜元件中，当对压电薄膜施加电压时，在压电薄膜中产生与电压的大小成比例的机械的变形。利用逆压电效应的压电薄膜元件例如是致动器、硬盘驱动器的磁头滑块、喷墨打印机的打印头、扬声器、蜂音器、共振器等。
压电薄膜越薄，压电薄膜元件越能够小型化，且能够应用压电薄膜元件的领域越广。另外，通过将大量的压电薄膜元件一并形成于基板上，压电薄膜元件的量产性提高。另外，压电薄膜越薄，越能够提高压电薄膜元件的性能。例如，在具备压电薄膜的传感器情况下，压电薄膜越薄，传感器的灵敏度越高。
发明内容
发明所要解决的技术问题
压电薄膜元件具备的压电薄膜形成于金属层(电极层)的表面。在正压电效应或逆压电效应的任一种的情况下，随着压电薄膜的变形，压电薄膜有可能从金属层剥离。通过压电薄膜从金属层剥离，压电薄膜元件的性能(例如耐电压性)受损。压电薄膜的剥离的原因不局限于压电薄膜的变形。由于薄膜和金属层之间的晶格不匹配、或薄膜和金属层之间的热膨胀系数的差，残留应力作用于薄膜或金属层。由于该残留应力，薄膜有可能从金属层剥离。由于外力引起的应力作用于薄膜及金属层，从而薄膜也有可能从金属层剥离。
如上述的薄膜从金属层的剥离不是压电薄膜元件中固有的问题。在具备金属层和层叠于金属层的表面的薄膜的所有的薄膜层叠体中，由于上述原因，薄膜有可能从金属层剥离。例如，在薄膜由热电体或铁电体构成的情况下，薄膜有可能从金属层剥离。ND滤光器(Neutral Density Filter)、光学开关元件或光波导元件等光学元件也是薄膜层叠体，在这些光学元件中，薄膜也有可能从金属层剥离。
本发明的目的在于，提供抑制薄膜从金属层剥离的薄膜层叠体、具备薄膜层叠体的薄膜元件、及具备薄膜层叠体的层叠型基板。
用于解决问题的技术方案
本发明的一方面提供一种薄膜层叠体，其具备：由金属构成的金属层和层叠于金属层的表面的薄膜，第一方向被定义为与金属层的表面平行的一个方向，第二方向被定义为与金属层的表面平行，且与第一方向交叉的一个方向，金属层包含：多个第一金属粒(first metal grain)，其由金属构成，在金属层的表面上沿着第一方向延伸；第二金属粒(second metal grain)，其由金属构成，在金属层的表面上沿着第二方向延伸。
第一方向上的第一金属粒的宽度也可以表示为L1，与金属层的表面平行，且与第一方向垂直的方向上的第一金属粒的宽度也可以表示为S1，第二方向上的第二金属粒的宽度也可以表示为L2，与金属层的表面平行，且与第二方向垂直的方向上的第二金属粒的宽度也可以表示为S2，多个第一金属粒的L1/S1的平均值也可以为1.5以上且20以下，多个第二金属粒的L2/S2的平均值也可以为1.5以上且20以下。
金属层也可以包含选自铂、铱、锇、铼、钯、钌、铑、钴、镍、金及银构成的组中的至少一种。
第一金属粒也可以为由上述金属构成的第一结晶，第二金属粒也可以为由上述金属构成的第二结晶。
至少一部分的第一结晶的(100)面也可以在金属层的表面的法线方向上取向，至少一部分的第二结晶的(100)面也可以在金属层的表面的法线方向上取向。
薄膜也可以包含电介质。
电介质也可以为选自顺电体、压电体、热电体及铁电体构成的组中的一种。
电介质也可以为具有钙钛矿型结构的金属氧化物。
薄膜也可以为外延膜。
金属层也可以为第一电极层，薄膜层叠体也可以进一步具备层叠于薄膜的表面的第二电极层。
第一方向和第二方向形成的角度也可以为90°。
本发明的一方面的薄膜层叠体也可以具备：基板、层叠于基板的表面的密合层、层叠于密合层的表面的金属层、层叠于金属层的表面的薄膜，密合层也可以包含氧化锆及稀土类元素的氧化物。
本发明的一方面的薄膜元件也可以具备上述的薄膜层叠体。
本发明的一方面的层叠型基板也可以具备上述薄膜层叠体，也可以用于薄膜元件的制造。
发明效果
根据本发明，提供抑制薄膜从金属层剥离的薄膜层叠体、具备薄膜层叠体的薄膜元件、及具备薄膜层叠体的层叠型基板。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的薄膜层叠体(薄膜元件)的分解立体图。
图2是图1所示的薄膜层叠体具备的金属层的表面的示意图。
图3是在金属层的表面露出的第一金属粒及第二金属粒的示意图。
图4是本发明的其它一实施方式的薄膜层叠体(薄膜元件)的剖视图，是与金属层的表面垂直的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。在附图中，对相同的结构要素标注同等的符号。本发明不限定于下述实施方式。各图所示的X、Y及Z是指相互正交的三个坐标轴。各图中的XYZ坐标轴分别表示的方向在各图中共通。
如图1及图2所示，本实施方式的薄膜层叠体10具备由金属构成的金属层3和直接层叠于金属层3的表面3S的薄膜6。薄膜层叠体10也可以进一步具备基板4和直接层叠于基板4的表面的密合层5，金属层3也可以直接层叠于密合层5的表面。薄膜6也可以覆盖金属层3的表面3S的一部分或整体。金属层3也可以覆盖密合层5的表面的一部分或整体。密合层5也可以覆盖基板4的表面的一部分或整体。薄膜层叠体10也可以不具备密合层5，金属层3也可以直接层叠于基板4的表面。基板4、密合层5、金属层3及薄膜6各自的形状也可以为薄的长方体(扁平的矩形)。但是，基板4、密合层5、金属层3及薄膜6各自的形状不限定于薄的长方体。基板4及密合层5各自的详细后述。
金属层3也可以为电极层。在金属层3为第一电极层的情况下，薄膜层叠体10也可以进一步具备第二电极层。例如，如图4所示，薄膜层叠体10A也可以具备：基板4、直接层叠于基板4的表面的密合层5、直接层叠于密合层5的表面的金属层3(第一电极层)、直接层叠于金属层3的表面3S的薄膜6、直接层叠于薄膜6的表面的第二电极层7。第二电极层7也可以覆盖薄膜6的表面的一部分或整体。
如图1及图2所示，第一方向D1被定义为与金属层3的表面3S平行的一个方向。如图1及图2所示，第二方向D2被定义为与金属层3的表面3S平行，且与第一方向D1交叉的一个方向。换而言之，第二方向D2被定义为与金属层3的表面3S平行，且与第一方向D1不平行的方向。
如图1及图2所示，金属层3包含多个第一金属粒1及多个第二金属粒2。第一金属粒1及第二金属粒2分别由构成金属层3的金属构成。各第一金属粒1在金属层3的表面3S上沿着第一方向D1延伸。即，各第一金属粒1在金属层3的表面3S上具有细长的形状，金属层3的表面3S上的各第一金属粒1的长边与第一方向D1大致平行。各第二金属粒2在金属层3的表面3S上沿着第二方向D2延伸。即，各第二金属粒2在金属层3的表面3S上具有细长的形状，金属层3的表面3S上的各第二金属粒2的长边与第二方向D2大致平行。多个第一金属粒1也可以在金属层3的表面3S上沿着第一方向D1排列，多个第二金属粒2也可以在金属层3的表面3S上沿着第二方向D2排列。第一金属粒1及第二金属粒2也可以交替排列。
如后述，金属层3通过气相沉积法形成于密合层5的表面或基板4的表面。如图3所示，在金属层3的形成过程的初期，金属蒸镀于密合层5的表面或基板4的表面，从金属形成大量的晶种。通过将各晶种在后述的规定的温度条件下进行加热，各晶种生长成晶粒8(畴)，且相邻的晶粒8彼此连结。其结果，第一金属粒1及第二金属粒2分别形成。假设在第一金属粒1及第二金属粒2没有形成的情况下，在构成金属层3的大量的晶粒8之间容易形成间隙。即，沿着金属层3的表面3S的法线方向DN延伸的针孔或粒界容易形成于金属层3。例如，金属层3的表面3S上的各晶粒8的形状近似圆的情况下，即使多个圆在金属层3的表面3S上致密地排列，在相邻的圆之间也能够形成间隙。在相邻的晶粒8之间形成间隙的结果，与形成第一金属粒1及第二金属粒2的情况相比，与薄膜6相接的金属层3的表面积减少。由于与薄膜6相接的金属层3的表面积小，因此，薄膜6与金属层3难以密合，薄膜6从金属层3容易剥离。在薄膜6包含电介质的情况下，薄膜6和金属层3之间的间隙容易成为漏电流的路径。即，金属层3和薄膜6的非接触成为薄膜6中的漏电流的原因。因此，随着与薄膜6相接的金属层3的表面积的减少，容易产生薄膜6中的漏电流。另一方面，通过沿不同的方向延伸的第一金属粒1及第二金属粒2在金属层3的表面3S上排列，相邻的第一金属粒1之间的间隙难以形成，相邻的第二金属粒2之间的间隙也难以形成，相邻的第一金属粒1及第二金属粒2之间的间隙也难以形成。其结果，与金属层3由大量晶粒8构成的情况相比，金属层3容易变得致密，与薄膜6相接的金属层3的表面积容易增加。通过与薄膜6相接的金属层3的表面积的增加，薄膜6容易与金属层3密合，薄膜6难以从金属层3剥离。在薄膜6包含电介质的情况下，随着与薄膜6相接的金属层3的表面积的增加，容易抑制薄膜6中的漏电流。
如上述，由于薄膜6和金属层3之间的晶格不匹配、或薄膜6和金属层3之间的热膨胀系数的差引起的残留应力有可能作用于金属层3。由于密合层5和金属层3之间的晶格不匹配、或密合层5和金属层3之间的热膨胀系数的差引起的残留应力也有可能作用于金属层3。由于基板4和金属层3之间的晶格不匹配、或基板4和金属层3之间的热膨胀系数的差引起的残留应力也有可能作用于金属层3。由于这些应力，薄膜6有可能从金属层3剥离。由于外力引起的应力作用于薄膜6及金属层3，薄膜6也有可能从金属层剥离。由于薄膜6本身的变形或位移引起的应力作用于薄膜6，薄膜6也有可能从金属层3剥离。相反在金属层3仅由多个第一金属粒1构成的情况下，金属层3能够在第一方向D1上伸缩，金属层3具有相对于第一方向D1上的应力的机械的强度(耐久性)。但是，在金属层3仅由多个第一金属粒1构成的情况下，金属层3在与第一方向D1不同的方向上难以伸缩。因此，在金属层3仅由多个第一金属粒1构成的情况下，通过方向与第一方向D1不同的应力作用于金属层3，金属层3在第一金属粒1之间界面容易破裂。随着金属层3的破裂，薄膜6容易从金属层3剥离。另一方面，在金属层3仅由多个第二金属粒2构成的情况下，通过方向与第二方向D2不同的应力作用于金属层3，从而金属层3在第二金属粒2之间的界面容易破裂。随着金属层3的破裂，薄膜6容易从金属层3剥离。但是，通过沿不同的方向延伸的第一金属粒1及第二金属粒2在金属层3的表面3S上排列，金属层3的表面3S内的所有的方向的应力在第一方向D1及第二方向D2上容易缓和。其结果，抑制金属层3的变形及破损，也抑制薄膜6从金属层3剥离。
抑制薄膜6从金属层3剥离的原因不限定于上述机制。根据本实施方式，无论薄膜6的组成及物性，都能够抑制薄膜6从金属层3剥离。但是，在薄膜层叠体10为介电薄膜元件的情况下，在容易抑制介电薄膜从金属层剥离的点上，本实施方式的薄膜层叠体10比较优异。在薄膜层叠体10为压电薄膜元件的情况下，在容易抑制压电薄膜从金属层剥离这一点上，本实施方式的薄膜层叠体10特别优异。
如图2所示，第一方向Dl上的第一金属粒1的宽度(最大宽度)也可以表示为L1。与金属层3的表面3S平行，且与第一方向D1垂直的方向上的第一金属粒1的宽度(最大宽度)也可以表示为S1。第二方向D2上的第二金属粒2的宽度(最大宽度)也可以表示为L2。与金属层3的表面3S平行，且与第二方向D2垂直的方向上的第二金属粒2的宽度(最大宽度)也可以表示为S2。也可以在金属层3的表面3S上测定L1、S1、L2及S2的任一个。多个第一金属粒1的L1/S1的平均值也可以为1.5以上且20以下，多个第二金属粒2的L2/S2的平均值也可以为1.5以上且20以下。L1/S1也可以称为第一金属粒1的长宽比。L2/S2也可以称为第二金属粒2的长宽比。在L1/S1及L2/S2各自的平均值为1.5以上的情况下，通过上述机制，容易抑制薄膜6从金属层3剥离。在L1/S1及L2/S2各自的平均值为20以下的情况下，金属粒之间的间隙(结晶之间的间隙)容易减少。其结果，容易抑制薄膜6从金属层3剥离，也容易抑制薄膜6中的漏电流。根据上述理由，L1/S1的平均值也可以为3.0以上且20以下、5.0以上且20以下、1.5以上且7.0以下、3.0以上且7.0以下、或5.0以上且7.0以下。L2/S2的平均值也可以为3.0以上且20以下、5.0以上且20以下、1.5以上且7.0以下、3.0以上且7.0以下、或5.0以上且7.0以下。
L1例如也可以为0.75μm以上且2.0μm以下。S1例如也可以为0.1μm以上且0.5μm以下。L2例如也可以为0.75μm以上且2.0μm以下。S2例如也可以为0.1μm以上且0.5μm以下。
金属层3也可以仅由第一金属粒1及第二金属粒2构成。只要抑制薄膜6从金属层3的剥离，金属层3除第一金属粒1及第二金属粒2之外，也可以包含其它金属粒(结晶)。例如，金属层3也可以包含在金属层3的表面3S上沿与第一方向D1及第二方向D2不同的方向延伸的其它金属粒(结晶)。金属层3也可以包含在金属层3的表面3S上具有各向同性的形状的其它金属粒(结晶)。各第一金属粒1的一部分或整体也可以为非晶质。各第一金属粒1的一部分或整体也可以为结晶质。各第一金属粒1的一部分为非晶质，各第一金属粒1的其它部分也可以为结晶质。多个第一金属粒1中一部分的第一金属粒1为非晶质，余部的第一金属粒1也可以为结晶质。因为容易得到本发明的效果，所以各第一金属粒1的至少一部分优选为结晶质，更优选各第一金属粒1的全体为结晶质。由于同样的原因，多个第一金属粒1中至少一部分的第一金属粒1优选为结晶质，更优选全部的第一金属粒1为结晶质。第一金属粒1也可以包含单晶或多结晶。第一金属粒1也可以仅由单晶或多结晶构成。在第一金属粒的一部分或全体为结晶质的情况下，第一金属粒标记为“第一结晶”。各第二金属粒2的一部分或整体也可以为非晶质。各第二金属粒2的一部分或整体也可以为结晶质。各第二金属粒2的一部分为非晶质，各第二金属粒2的其它部分也可以为结晶质。多个第二金属粒2中一部分的第二金属粒2为非晶质，余部的第二金属粒2也可以为结晶质。因为容易得到本发明的效果，所以各第二金属粒2的至少一部分优选为结晶质，更优选各第二金属粒2的全体为结晶质。由于同样的理由，多个第二金属粒2中至少一部分的第二金属粒2优选为结晶质，全部的第二金属粒2更优选为结晶质。第二金属粒2也可以包含单晶或多结晶。第二金属粒2也可以仅由单晶或多结晶构成。在第二金属粒的一部分或全体为结晶质的情况下，第二金属粒标记为“第二结晶”。一部分或全部的第一金属粒1也可以为沿着金属层3的表面3S的法线方向DN延伸的柱状结晶。一部分或全部的第二金属粒2也可以为沿着金属层3的表面3S的法线方向DN延伸的柱状结晶。一个第一金属粒1也可以从金属层3的表面3S无缝地连续至其背面。一个第二金属粒2也可以从金属层3的表面3S无缝隙地连续至其背面。第一金属粒1也可以由在金属层3的表面3S的法线方向DN上连结的多个结晶构成。第二金属粒2也可以由在金属层3的表面3S的法线方向DN上连结的多个结晶构成。在金属层3的表面3S上，第一金属粒1的一部分也可以与第二金属粒2的一部分一体化。即，在金属层3的表面3S上，第一金属粒1也可以与第二金属粒2交叉。图1所示的第一金属粒1的形状为大致长方体，但第一金属粒1的形状没有限定。例如，第一金属粒1也可以为长方体以外的多棱柱。图1所示的第二金属粒2的形状为大致长方体，但第二金属粒2的形状没有限定。例如，第二金属粒2也可以为长方体以外的多棱柱。
第一方向D1和第二方向D2形成的角度也可以为90°。通过第一方向Dl和第二方向D2形成的角度为90°，金属层3容易变得致密，与薄膜6相接的金属层3的表面积容易增加。通过第一方向D1和第二方向D2形成的角度为90°，金属层3的表面3S内的所有方向的力在第一方向D1及第二方向D2上容易缓和。第一方向D1和第二方向D2形成的角度也可以为90°以外的角度。在金属层3具有六方晶的结晶结构的情况下，第一方向D1和第二方向D2形成的角度也可以为60°或120°。例如，由钌构成的金属层3具有六方晶的结晶结构(六方密充填结构)。
金属层3也可以包含选自铂(Pt)、铱(Ir)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)、钌(Ru)、铑(Rh)、钴(Co)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铝(A1)及铬(Cr)构成的组中的至少一种。金属层3也可以为金属单质或合金。只要不损害第一结晶1及第二结晶2各自的结晶结构，金属层3也可以包含金属以外的元素(例如，不可避免的杂质)。金属层3也可以具有选自面心立方晶格结构、体心立方晶格结构、简单立方晶格结构及六方细密充填结构构成的组中的一种结晶结构。在金属层3由具有面心立方晶格结构的金属(特别是Pt)构成的情况下，金属层3容易具备沿着面心立方晶格结构的[010]延伸的多个第一结晶1和沿着面心立方晶格结构的[001]延伸的多个第二结晶2。即，面心立方晶格结构的[010]也可以与第一方向D1平行，面心立方晶格结构的[001]也可以与第二方向D2平行。或者，在金属层3由具有面心立方晶格结构的金属(特别是Pt)构成的情况下，金属层3容易具备沿着面心立方晶格结构的[001]延伸的多个第一结晶1和沿着面心立方晶格结构的[010]延伸的多个第二结晶2。即，面心立方晶格结构的[001]也可以与第一方向D1平行，面心立方晶格结构的[010]也可以与第二方向D2平行。[010]及[001]分别指结晶方位。在金属层3包含选自Pt、Ir、Os、Pd、Ru及Rh构成的组中的至少一种的铂族元素的情况下，金属层3能够具有高的电导率并具有耐蚀性。
只要第二电极层7具有导电性，第二电极层7的组成就没有限定。例如，第二电极层7的组成也可以与金属层3的组成相同。
第一结晶1及第二结晶2分别可以具有选自面心立方晶格结构、体心立方晶格结构及简单立方晶格结构构成的组中的一种结晶结构，至少一部分的第一结晶1的(100)面也可以在金属层3的表面3S的法线方向DN上取向，至少一部分的第二结晶2的(100)面也可以在金属层3的表面3S的法线方向DN上取向。换而言之，至少一部分的第一结晶1的(100)面也可以与金属层3的表面3S平行，至少一部分的第二结晶2的(100)面也可以与金属层3的表面3S平行。即，至少一部分的第一结晶1的结晶结构的[100]也可以与金属层3的表面3S的法线方向DN平行，至少一部分的第二结晶2的结晶结构的[100]也可以与金属层3的表面3S的法线方向DN平行。全部的第一结晶1的(100)面也可以在金属层3的表面3S的法线方向DN上取向，全部的第二结晶2的(100)面也可以在金属层3的表面3S的法线方向DN上取向。在第一结晶1及第二结晶2各自的(100)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上进行取向的情况下，由电介质构成的外延膜、或电介质的单晶膜容易形成于金属层3的表面3S作为薄膜6。其结果，薄膜6容易具有优异的物性(例如，顺电性、压电性、热电性或铁电性)。特别是，在电介质具有钙钛矿型结构的情况下，通过第一结晶1及第二结晶2各自的(100)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上进行取向，由电介质构成的外延膜、或电介质的单晶容易形成于金属层3的表面3S。
即使在薄膜6层叠于金属层3的表面3S后，金属层3的表面3S的结构也难以变化，第一金属粒1及第二金属粒2各自的组成、结晶性及尺寸也难以变化。
薄膜6也可以包含电介质。电介质也可以为选自顺电体、压电体、热电体及铁电体构成的组中的一种。例如，电介质(顺电体、压电体、热电体、或铁电体)也可以为选自下述化合物1～19构成组中的一种。薄膜6也可以仅由电介质构成。薄膜6除电介质外，也可以进一步包含构成电介质的元素以外的其它元素。
BaTio3 (1)
K1-xNaxNbO3(0＜x＜1) (2)
LiNbO3 (3)
PbTiO3 (4)
PbZrxTi1-xO3(0＜x＜1) (5)
Pb(1-x)LaxTi1-x/4O3(0＜x＜1) (6)
Pb1-xLax(Zr1-yTiy)1-x/4O3(0＜x＜1，0＜y＜1) (7)
(NayBi1-y)1-xBaxTiO3(0＜x＜1，0＜y＜1) (8)
(BixBay)mFexTiyO3(xy＞0、x+y＝1，m约为1。) (9)
(BixBaySrz)mFexTi(y+z)O3(xyz＞0、x+y+z＝1，m约为1。) (10)
(Bi(x+z)Bay)mFexTiyA1zO3(xyz＞0、x+y+z＝1、m约为1。)(11)
AlN (12)
ZnO (13)
CdS (14)
HfO2 (15)
TiO2 (16)
Ta2O5 (17)
Al2O3 (18)
SiO2 (19)
薄膜6可以是外延膜。薄膜6也可以通过外延生长形成。薄膜6也可以为单晶。在薄膜6为由电介质构成的外延膜、或电介质的单晶的情况下，薄膜6容易具有优异的物性(例如顺电性、压电性、热电性或铁电性)。薄膜6也可以为多晶。薄膜6也可以包含多个层。
薄膜6中所含的电介质也可以为具有钙钛矿型结构的金属氧化物。具有钙钛矿型结构的金属氧化物也可以为选自上述化合物1～11构成的组中的一种。在薄膜6中所含的电介质为具有钙钛矿型结构的金属氧化物的情况下，由电介质构成的外延膜、或电介质的单晶容易形成于金属层3的表面3S。其结果，薄膜6容易具有优异的物性(例如，顺电性、压电性、热电性或铁电性)。
密合层5具有使金属层3与基板4密合的功能。密合层5也可以包含氧化锆及稀土类元素的氧化物。通过密合层5包含氧化锆及稀土类元素的氧化物，能够将包含第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)的金属层3容易形成于密合层5的表面。稀土类元素也可以为选自钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、钐(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、及镥(Lu)构成的组中的至少一种。如图1所示，密合层5也可以为由添加有稀土类元素的氧化物的氧化锆构成的一层。在密合层5由三氧化二钇稳定化氧化锆(添加有Y2O3的ZrO2)构成的情况下，包含第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)的金属层3容易形成于密合层5的表面。如图4所示，密合层5也可以具有直接形成于基板4的表面的第一密合层5A和直接层叠于第一密合层5A的表面的第二密合层5B。金属层3也可以直接层叠于第二密合层5B的表面。第一密合层5A也可以由氧化锆(ZrO2)构成，第二密合层5B也可以由氧化钇(Y2O3)构成。在第一密合层5A由ZrO2构成，第二密合层5B由Y2O3构成的情况下，包含第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)的金属层3容易形成于第二密合层5B的表面。
基板4的厚度例如也可以为50μm以上且1000μm以下。密合层5的厚度例如也可以为5nm以上且1000nm以下。金属层3(第一电极层)的厚度例如也可以为5nm以上且500nm以下。薄膜6的厚度例如也可以为0.5μm以上且10μm以下。第二电极层7的厚度例如也可以为5nm以上且500nm以下。
基板4例如也可以为由硅(Si)的单晶构成的基板、或由砷化镓(GaAs)等化合物半导体的单晶构成的基板。基板4也可以为由MgO等氧化物的单晶构成的基板。基板4也可以为由KTaO3等钙钛矿型氧化物的单晶构成的基板。基板4由Si的单晶构成，朝向金属层3的基板4的表面也可以为Si的(100)面。在基板4由Si的单晶构成，朝向金属层3的基板4的表面为Si的(100)面的情况下，包含第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)的金属层3容易形成于密合层5或基板4的表面。
本实施方式的薄膜元件也可以具备上述薄膜层叠体。薄膜元件是具有由薄膜6的组成引起的特定的功能的元件。薄膜元件的层叠结构也可以与薄膜层叠体的层叠结构(例如，薄膜层叠体10或10A的层叠结构)相同。薄膜层叠体本身(例如，薄膜层叠体10或10A)也可以为薄膜元件。后述的薄膜元件的任一具体例也可以具备薄膜层叠体10或10A。后述的薄膜元件的任一具体例也可以应用于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)的一部分。
在薄膜6包含电介质的情况下，薄膜元件也可以为薄膜电容器。
在薄膜6包含压电体的情况下，薄膜元件也可以为压电薄膜元件。压电体也可以为选自上述化合物2～15构成的组中的一种。压电薄膜元件的用途广泛。压电薄膜元件例如也可以应用于压电致动器。压电致动器例如也可以用于磁头滑块(磁头组件)、磁头组组件、或硬盘驱动器。压电致动器例如也可以用于打印头、或喷墨打印机的打印头。压电致动器也可以为驱动MEMS镜，且控制镜的方向的镜致动器。MEMS镜例如应用于激光扫描型视频模块用的光学扫描仪。激光扫描型视频模块例如应用于平视显示等激光扫描型图像显示。
压电薄膜元件例如也可以应用于压电传感器。压电传感器例如也可以为陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏传感器、或冲击传感器。
压电薄膜元件例如也可以应与麦克风、扬声器、蜂音器或共振器。
在薄膜6包含热电体或铁电体的情况下，薄膜元件也可以为热电薄膜元件。热电体或铁电体也可以为选自上述化合物4～8及15构成的组中的一种。热电薄膜元件例如也可以应用于红外线检测器(红外线传感器)。
薄膜元件也可以为光学元件。例如，光学元件也可以为ND滤光器、光学开关元件或光波导元件。在薄膜6包含电介质的情况下，薄膜元件也可以应于ND滤光器(中性浓度滤光器)。在薄膜元件为ND滤光器的情况下，与金属层3不同的金属层和由电介质构成的不同的薄膜也可以交替层叠于薄膜6的表面。在薄膜元件为ND滤光器的情况下，薄膜6中所含的电介质也可以为选自上述化合物16～19构成的组中的一种。在薄膜元件为ND滤光器的情况下，薄膜元件具备的基板也可以由透明的树脂构成。ND滤光器例如用于数码相机。在薄膜6包含LiNbO3或Pb1-xLax(Zr1-yTiy)1-x/4O3(上述化合物3或7)的情况下，薄膜6具有电光效应。即，通过对薄膜6施加电场，薄膜6的折射率变化。因此，在薄膜6包含LiNbO3或Pb1-xLax(Zr1- yTiy)1-x/4O3的情况下，薄膜元件也可以应用于光学开关元件或光波导元件。光学开关元件或光波导元件例如用于光通信装置、光测量装置、或光信息处理装置。
本实施方式的层叠型基板也可以具备上述薄膜层叠体。层叠型基板的层叠结构也可以与薄膜层叠体的层叠结构(例如，薄膜层叠体10或10A的层叠结构)相同。层叠型基板也可以为用于上述薄膜元件的制造的基板。即，也可以通过层叠型基板的加工，制造薄膜元件。也可以通过层叠型基板的加工，制造具备多个薄膜元件的基板。也可以通过层叠型基板的加工，制造除薄膜元件外，还具备与薄膜元件不同的其它元件的基板。例如，也可以通过层叠型基板的加工，制造具备薄膜元件的MEMS。层叠型基板的加工例如是指蒸镀、退火、切割、光刻(蚀刻的图案)等方法。
密合层5、金属层3(第一电极层)、薄膜6及第二电极层7分别也可以以该层叠顺序形成于基板4上。
各层及薄膜6也可以在真空室内形成。可以以使各层或薄膜6的组成一致的方式选择原料，也可以组合多个原料。各层或薄膜6的原料例如也可以为金属单质、合金、或氧化物其它的化合物。真空室内的气氛也可以包含构成各层或薄膜6的元素(例如，氧)。在形成金属层3或第二电极层7的情况下，真空装置内的气氛也可以为非氧化的气氛。非氧化的气氛也可以仅是稀有气体(例如氩)或稀有气体及氮的混合气体。密合层5、金属层3(第一电极层)、薄膜6及第二电极层7各自的形成方法也可以是气相沉积法。气相沉积法也可以是物理蒸镀(PVD)法或化学蒸镀(CVD)法。物理蒸镀法例如为溅射、电子束蒸镀法、或脉冲激光堆积(Pulsed laser deposition)法。溅射例如也可以为RF磁控溅射。电子束蒸镀法是通过将在真空中从电子枪产生的电子束照射到原料，将原料加热成高温，并使其蒸发，使在在与原料对置的基板的表面蒸镀的手法。根据电子束蒸镀法，各层或薄膜6的结晶性及厚度容易控制在原子层水平。金属层3优选通过电子束蒸镀法形成。金属层3通过电子束蒸镀法形成，由此，容易形成第一结晶1及第二结晶2，第一结晶1及第二结晶2各自的(100)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上容易取向。
基于气相沉积法的金属层3的形成方法优选具备：第一加热工序，将真空室内的气氛的温度维持在第一温度T1，同时使金属在密合层5的表面蒸镀；升温工序，在第一工序后，将真空室内的气氛的温度从第一温度T1提高到第二温度T2；第二加热工序，在升温工序后，将真空室内的气氛的温度维持在第二温度T2，同时使金属在密合层5的表面蒸镀。即使在升温工序中，金属也可以在密合层5的表面继续蒸镀。如图3所示，在第一加热工序中，由在密合层5的表面蒸镀的金属形成大量的晶种，且各晶种生长成晶粒8。但是，仅通过第一加热工序，第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)难以形成。通过在第一加热工序后实施升温工序及第二加热工序，容易形成第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)。第一温度T1是由在密合层5的表面蒸镀的金属形成大量的晶种，且各晶种生长成晶粒8的温度。在第一温度T1过高的情况下，晶粒8过度生长，且难以形成第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)，金属层3的表面粗度过大。第二温度T2是形成于密合层5的表面的多个晶粒8相互连结，第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)分别生长的温度。在第二温度T2过高的情况下，晶粒8过度生长，且难以形成第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)，金属层3的表面粗度过大。根据第一加热工序、升温工序及第二加热工序，容易形成第一金属粒1(第一结晶)及第二金属粒2(第二结晶)，第一结晶1及第二结晶2各自的(100)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上容易取向，第一结晶1及第二结晶2各自的(111)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上难以取向。在第一加热工序、升温工序及第二加热工序中，也可以将金属层没有氧化的程度的微量的氧气供给到真空室内。通过氧气的供给，第一结晶1及第二结晶2各自的(100)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上容易取向，第一结晶1及第二结晶2各自的(111)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上难以取向。
因为第一温度T1及第二温度T2均按照金属层3的组成，所以没有限定。第一温度T1及第二温度T2都可以通过试验进行确定。例如，在金属层3由Pt构成的情况下，第一温度T1也可以约为600℃，第二温度T2也可以为610℃以上且650℃以下。升温工序的所需时间例如也可以为1分钟以上且5分钟以下。第一温度T1也可以为第一加热工序中的基板4的温度。第二温度T2也可以为第二加热工序中的基板4的温度。
密合层5、金属层3(第一电极层)、薄膜6及第二电极层7各自的结晶结构也可以通过X射线衍射(XRD)法进行确定。在金属层3的表面3S露出的第一金属粒1及第二金属粒2也可以通过原子力显微镜(AFM)进行观察。第一金属粒1及第二金属粒2各自的尺寸也可以通过AFM进行测定。各层及薄膜6各自的组成也可以通过X射线荧光分析法(XRF法)、能量分散型X射线分析法(EDX)、感应耦合等离子体质量分析法(ICP－MS)、激光烧蚀感应耦合等离子体质量分析法(LA－ICP－MS)、及使用电子微探仪(EPMA)的分析法、中至少任一种的分析方法进行确定。
[实施例]
以下，通过实施例及比较例对本发明进行更详细地说明，但本发明不限定于这些例的任何。
(实施例1)
Si的单晶基板用于薄膜层叠体的制作。单晶基板的表面为Si的(100)面。单晶基板为直径为3英寸(76.2mm)的圆盘。单晶基板的厚度为400μm。
在真空室内将由ZrO2构成的第一密合层形成于单晶基板的表面整体。第一密合层通过电子束蒸镀法形成。在第一密合层的形成过程中，基板的温度维持在870℃。在第一密合层的形成过程中，供给到真空室的氧气的流量调整为10sccm。ZrO2的生长速度(第一密合层的厚度的增加速度)调整为/秒。第一密合层的厚度约为20nm。
在真空室内将由Y2O3构成的第二密合层形成于第一密合层的表面整体。第二密合层通过电子束蒸镀法形成。在第二密合层的形成过程中，基板的温度维持在870℃。在第二密合层的形成过程中，供给到真空室的氧气的流量调整为14sccm。Y2O3的生长速度(第二密合层的厚度的增加速度)调整为/秒。第二密合层的厚度约为45nm。
通过由第一加热工序、升温工序及第二加热工序构成的电子束蒸镀法将由Pt构成的金属层形成于第二密合层的表面整体。
在第一加热工序中，将真空室内的气氛的温度维持在第一温度T1，同时使Pt在第二密合层的表面蒸镀。第一温度T1示于下述表1。第一加热工序持续10分钟。
在第一加热工序之后的升温工序中，将真空室内的气氛的温度从第一温度T1提高到第二温度T2。第二温度T2示于下述表1。升温工序的所需时间为3分钟。即使在升温工序中，Pt也在第二密合层的表面继续蒸镀。
在升温工序之后的第二加热工序中，将真空室内的气氛的温度维持在第二温度T2，同时使Pt在密合层5的表面蒸镀。第二温度T2示于下述表1。第二加热工序持续20分钟。
在金属层的形成过程中，供给到真空室的氧气的流量调整为5sccm。金属层的生长速度(金属层的厚度的増加速度)调整为 /秒。
通过以上的方法形成由Pt构成的金属层。金属层的厚度越为50nm。通过AFM观察金属层的表面的一部分。通过AFM观察的金属层的表面的区域的尺寸为5μm×5μm。通过AFM观察图2所示的金属层3的表面3S。即，金属层3包含多个第一结晶1(第一金属粒)及多个第二结晶2(第二金属粒)。第一方向D1和第二方向D2形成的角度为90°。随机选出在金属层3的表面3S露出的10个第一结晶1，在金属层的表面测定10个第一结晶1各自的L1及S1。L1约为0.9μm以上且2.2μm以下。S1约为0.15μm以上且0.3μm以下。随机选出在金属层3的表面3S露出的10个第二结晶2，在金属层的表面测定10个第二结晶2各自的L2及S2。L2约为1.0μm以上且2.3μm以下。S2约为0.15μm以上且0.4μm以下。计算10个第一结晶1各自的L1/S1，并根据这些值计算L1/S1的平均值。L1/S1的平均值示于下述表1。计算10个第二结晶2各自的L2/S2，并根据这些值计算L2/S2的平均值。L2/S2的平均值示于下述表1。L1/S1及L2/S2各自的平均值优选为1.5以上。
通过XRD法，分析金属层的结晶结构。其结果，检测出表示Pt的面心立方晶格结构的(100)面与金属层的表面平行的X射线衍射。即，显示了第一结晶及第二结晶各自的(100)面在金属层的表面的法线方向上取向。
在真空室内将由(K0.5Na0.5)NbO3构成的薄膜(KNN膜)形成于金属层的表面整体。KNN膜通过溅射法而形成。使用(K0.5Na0.5)NbO3作为溅射靶。真空室内的气氛的温度维持在550℃。真空室内的气氛为Ar及O2的混合气体。KNN膜的膜厚调整为2000nm。
通过XRD法分析KNN膜的结晶结构。其结果，检测出表示KNN膜的表面为钙钛矿型结构的(110)面的X射线衍射。即，显示了KNN膜的钙钛矿型结构的(110)面在金属层3的表面3S的法线方向DN上取向。
通过以上的方法制作实施例1的薄膜层叠体。薄膜层叠体具备：基板、直接层叠于基板的表面的第一密合层、直接层叠于第一密合层的表面的第二密合层、直接层叠于第二密合层的表面的金属层、直接层叠于金属层的表面的薄膜(KNN膜)。为了计算下述剥离率，制作10个实施例1的薄膜层叠体。
[剥离率]
使用实施例1的10个薄膜层叠体，计算KNN膜的剥离率Rp(单位：％)。KNN膜的剥离率Rp通过以下的网格测试进行测定。网格测试是根据日本工业规格的K 5600－5－6：1999(ISO 2409：1992)的方法。在网格测试中，通过将相互正交的多个切痕(cross hatch cuts)形成于KNN膜的表面，将KNN膜划分成100个的格子(正方形)。切痕的间隔为1mm。在格子形成后，将胶带粘贴于KNN膜的表面整体。随着胶带从KNN膜的表面的剥离，计数KNN膜的至少一部分从金属层的表面剥离的格子的个数N。N是剥离率Rp本身。剥离率Rp分类成A、B、C及D四个等级。A是指剥离率Rp为0％以上且低于10％。B是指剥离率Rp为10％以上且低于20％。C是指剥离率Rp为20％以上且低于50％。D是指剥离率Rp为50％以上且100％以下。剥离率Rp的等级优选为A或B，剥离率Rp的等级最优选为A。实施例1的剥离率Rp的等级示于下述表1。
测定实施例1的KNN膜的耐电压(单位：V/μm)。使用株式会社爱德万测试制的静电计(R8340)作为测定装置。在测定中，第二电极层形成于KNN膜的表面，作为薄膜层叠体具备的金属层的对极。使施加到KNN膜的电压从0V上升到5V时，测定KNN膜的绝缘被破坏的时刻的电压作为耐电压Vbd。耐电压Vbd优选为50V/μm以上。耐电压Vbd示于下述表1。
(实施例2～7及比较例1～3)
实施例2～7及比较例1分别的第二温度T2调整为下述表1所示的温度。
在实施例5的情况下，形成由Ir构成的金属层代替由Pt构成的金属层。
在实施例6的情况下，形成由Pd构成的金属层代替由Pt构成的金属层。
在实施例7的情况下，形成由Ag及Pd构成的金属层代替由Pt构成的金属层。
在比较例2的金属层的形成过程中，真空室内的温度持续被维持在700℃。即，在比较例2的金属层的形成过程中，没有实施升温工序。
在比较例3的金属层的形成过程中，真空室内的温度持续被维持在630℃。即，在比较例3的金属层的形成过程中，没有实施升温工序。
除以上的事项，通过与实施例1同样的方法分别制作实施例2～7及比较例1～3各自的薄膜层叠体。
通过与实施例1同样的方法通过AFM观察实施例2～7及比较例1～3各自的金属层。通过与实施例1同样的方法分析实施例2～7及比较例1～3各自的金属层的结晶结构。
在实施例2～7任一例的情况下，金属层包含多个第一结晶及多个第二结晶。第一方向D1和第二方向D2形成的角度为90°。测定实施例2～7各自的L1、S1、L2及S2。实施例2～7各自的L1/S1的平均值示于下述表1。实施例2～7各自的L2/S2的平均值示于下述表1。
在实施例2～7任一例的情况下，检测到表示金属层的面心立方晶格结构的(100)面与金属层的表面平行的X射线衍射。即，显示了第一结晶及第二结晶各自的(100)面在金属层的表面的法线方向DN上取向。
比较例1～3各自的金属层都不包含第一结晶及第二结晶。比较例1～3各自的金属层的表面的晶粒的长宽比约为1.0。在比较例1的金属层的表面的晶粒的粒径中具有斑。在比较例2及3各自的金属层的表面上，观察到粗大的晶粒。在比较例2及3的情况下，推测在金属层的形成过程的初期，形成了粗大的晶粒。
通过与实施例1同样的方法，计算实施例2～7及比较例1～3各自的剥离率Rp。实施例2～7及比较例1～3各自的剥离率Rp的等级示于下述表1。通过与实施例1同样的方法测定实施例2～7及比较例1～3各自的耐电压Vbd。实施例2～7及比较例1～3各自的耐电压Vbd示于下述表1。
[表1]
产业上的可利用性
本发明的薄膜层叠体例如作为压电薄膜元件、热电薄膜元件或铁电薄膜元件。
符号说明
1…第一金属粒(第一结晶)、2…第二金属粒(第二结晶)、3…金属层、3S…金属层的表面、4…基板、5…密合层、5A…第一密合层、5B…第二密合层、6…薄膜、7…第二电极层、8…晶粒、10，10A…薄膜层叠体(薄膜元件、层叠型基板)、D1…第一方向、D2…第二方向、DN…法线方向。

Claims (12)

1.一种薄膜层叠体，其特征在于，
具备：由金属构成的金属层和层叠于所述金属层的表面的薄膜，
第一方向被定义为与所述金属层的表面平行的一个方向，
第二方向被定义为与所述金属层的表面平行，且与所述第一方向交叉的一个方向，
所述金属层包含：
多个第一金属粒，其由所述金属构成，在所述金属层的表面上沿着所述第一方向延伸；以及
多个第二金属粒，其由所述金属构成，在所述金属层的表面上沿着所述第二方向延伸，
所述第一方向上的所述第一金属粒的宽度表示为L1，
与所述金属层的表面平行，且与所述第一方向垂直的方向上的所述第一金属粒的宽度表示为S1，
所述第二方向上的所述第二金属粒的宽度表示为L2，
与所述金属层的表面平行，且与所述第二方向垂直的方向上的所述第二金属粒的宽度表示为S2，
多个所述第一金属粒的L1/S1的平均值为1.5以上且20以下，
多个所述第二金属粒的L2/S2的平均值为1.5以上且20以下。
2.一种薄膜层叠体，其特征在于，
具备：由金属构成的金属层和层叠于所述金属层的表面的薄膜，
第一方向被定义为与所述金属层的表面平行的一个方向，
第二方向被定义为与所述金属层的表面平行，且与所述第一方向交叉的一个方向，
所述金属层包含：
多个第一金属粒，其由所述金属构成，在所述金属层的表面上沿着所述第一方向延伸；以及
多个第二金属粒，其由所述金属构成，在所述金属层的表面上沿着所述第二方向延伸，
所述第一金属粒为由所述金属构成的第一结晶，
所述第二金属粒为由所述金属构成的第二结晶，
至少一部分的所述第一结晶的(100)面在所述金属层的表面的法线方向上取向，
至少一部分的所述第二结晶的(100)面在所述金属层的表面的法线方向上取向。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其中，
所述金属层包含选自铂、铱、锇、铼、钯、钌、铑、钴、镍、金及银构成的组中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其中，
所述薄膜包含电介质。
5.根据权利要求4所述的薄膜层叠体，其中，
所述电介质是选自由顺电体、压电体、热电体及铁电体构成的组中的一种。
6.根据权利要求4所述的薄膜层叠体，其中，
所述电介质为具有钙钛矿型结构的金属氧化物。
7.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其中，
所述薄膜为外延膜。
8.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其中，
所述金属层为第一电极层，
所述薄膜层叠体进一步具备层叠于所述薄膜的表面的第二电极层。
9.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其中，
所述第一方向和所述第二方向形成的角度为90°。
10.根据权利要求1或2所述的薄膜层叠体，其具备：
基板；
层叠于所述基板的表面的密合层；
层叠于所述密合层的表面的所述金属层；以及
层叠于所述金属层的表面的所述薄膜，
所述密合层包含氧化锆及稀土类元素的氧化物。
11.一种薄膜元件，其具备权利要求1或2所述的薄膜层叠体。
12.一种层叠型基板，其具备权利要求1或2所述的薄膜层叠体，
用于薄膜元件的制造。
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