CN112823431A - 压电器件及压电器件的制造方法 - Google Patents

压电器件及压电器件的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供抑制泄漏通路的产生，具有良好的压电特性的压电器件及其制造方法。压电器件在基材上，依次层叠有第1电极、压电体层以及第2电极，至少上述第1电极由非晶质的氧化物导电体形成。

Description

压电器件及压电器件的制造方法
技术领域
本发明涉及压电器件及其制造方法。
背景技术
一直以来，使用了利用物质的压电效应的压电元件。压电效应是指通过对于物质施加压力，从而产生与压力相应的极化的现象。利用压电效应，制作出压力传感器、加速度传感器、检测弹性波的AE(声发射)传感器等各种传感器。
压电器件一般而言，在一对电极之间夹持压电材料的层来构成。已知由Ti合金、Mg合金、Al合金、Zn合金等形成电极膜，将电极膜的杨氏模量与压电层的杨氏模量相比低地设定的构成(例如，参照专利文献1)。在该文献中，电极膜优选具有无取向或非晶质结构。
发明内容
发明所要解决的课题
在一对电极之间夹持有压电层的层叠体从制造工艺、结构的稳定性的观点考虑，一般而言在基材上形成。在基材由塑料、树脂等形成的情况下，其表面易于产生凹凸，但是构成电极的金属的结晶体不能吸收基材表面的凹凸。此外，基材上所形成的金属膜的表面也存在凹凸。如果由于金属表面的凹凸、针孔而压电层产生裂缝，则电极与电极之间形成泄漏通路。由于泄漏通路而极化，在压电层的表面所产生的电荷消失，不能获得压电效应。
本发明的目的在于提供抑制泄漏通路的产生，并且具有良好的压电特性的压电器件及其制造方法。
用于解决课题的方案
本发明中，由非晶质的氧化物导电体形成一对电极的至少一者。具体而言，压电器件在基材上，依次层叠有第1电极、压电体层以及第2电极，
至少上述第1电极由非晶质的氧化物导电体形成。
良好的构成例中，第1电极的厚度为例如10nm～200nm，更优选为10nm～100nm。
发明的效果
通过上述构成和方法，从而能够实现抑制泄漏通路的产生，具有良好的压电特性的压电体器件。
附图说明
图1为实施方式的压电器件的概略图。
图2为用于特性评价的样品的构成图。
图3为说明作为压电特性的d33值的测定方法的图。
图4为表示实施方式的样品的测定结果的图。
图5为表示比较例的测定结果的图。
图6为说明压电体层的基底使用金属电极膜时的压电特性劣化的原因的图。
图7为以不同的O2/Ar流量比成膜的样品的微小入射角X射线衍射的测定结果。
具体实施方式
在使用氧化锌(ZnO)等纤锌矿型的压电材料来形成压电体层的情况下，一般而言，认为在压电体层下，配置结晶性的基底膜为好。这是因为能够使反映基底的晶体结构而具有良好的结晶取向性的压电体层生长。
为了确保压电体层的结晶取向性，假定压电体具有一定程度的厚度，但是由于具有厚度，因此易于产生裂缝、开裂。特别是，在构成电极的金属膜的表面具有凹凸的情况下，压电体层的成膜后易于产生裂缝、针孔。
压电体层所产生的裂缝、开裂成为泄漏通路的原因。由于泄漏通路的产生，由极化产生的电荷消失，压电特性受损。
在实施方式中，夹持压电体层的一对电极中，由非晶质的透明的氧化物导电体形成至少基材与压电体层之间所配置的电极(下部电极)，从而吸收基材表面的凹凸来抑制泄漏通路的形成，实现良好的压电特性。
图1为压电器件10的概略图。压电器件10作为例如压电传感器使用，将对器件施加的压力作为电信号取出。压电器件10在基材11上，具有第1电极12、压电体层13、第2电极14依次层叠而成的层叠体15。基材11的“上”时，是指层叠体15的层叠方向的上侧。
在图1的配置例中，可以将第1电极12称为下部电极，将第2电极14称为上部电极。一对电极中，至少第1电极12由非晶质的氧化物导电体形成。氧化物导电体可以根据使用方式相对于可见光为“透明”的，也可以相对于所使用的特定的波长带的光为“透明”的。
作为非晶质的氧化物导电体，能够使用ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、IZTO(氧化铟锌锡)、IGZO(氧化铟镓锌)等。
在使用ITO的情况下，锡(Sn)的含有比例(Sn/(In+Sn))可以为例如5～15wt％。在该含量的范围内，相对于可见光是透明的，利用室温的溅射能够形成非晶质的膜。
在使用IZO的情况下，锌(Zn)的含有比例(Zn/(In+Zn))可以为例如10wt％左右。IZO相对于可见光也是透明的，利用室温下的溅射也能够形成非晶质的膜。
在使用IZTO的情况下，In的含有比例(In/(In+Zn+Ti))可以为例如15～35wt％。在使用IGZO的情况下，In的含有比例(In/(In+Ga+Zn))可以为例如15～35wt％。IZTO和IGZO都相对于可见光是透明的，载流子的迁移率高。此外，室温下能够形成非晶质的膜。
这些非晶质的氧化物导电体膜在氩(Ar)气氛中，或Ar中混合有微量的氧(O2)的混合气体中得以成膜。O2流量相对于Ar和O2的总流量的比例优选为0％以上2.0％以下，更优选为0％以上1.5％以下。该流量比的范围的根据进行后述。
基材11的材料是任意的，可以是玻璃基板、蓝宝石基板，MgO基板等无机材料的基板，也可以是塑料基板。在由非晶质的透明的氧化物导电体形成第1电极12的情况下，在基材11为塑料基板的情况下，进一步发挥泄漏通路抑制的效果。这是因为：在使用塑料或树脂的基材11的情况下，基材11的表面易于产生凹凸，但是非晶质的第1电极12实现吸收该凹凸，并且使上层的压电体层13的结晶取向性变好的功能。
在使基材11为塑料层的情况下，能够使用例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、丙烯酸系树脂、环烯烃系聚合物、聚酰亚胺(PI)等。在这些材料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、丙烯酸系树脂、环烯烃系聚合物为无色透明的材料，特别适合于将第1电极12作为光透射侧的情况。
压电体层13例如由具有纤锌矿型的晶体结构的压电材料形成，其厚度为20nm～250nm。通过使压电体层13的厚度为该范围，从而能够抑制裂缝、开裂的发生。如果压电体层13的厚度超过250nm，则裂缝、开裂产生的概率提高，此外，影响雾度(模糊度)。
如果压电体层13的厚度小于20nm，则难以获得良好的结晶取向性，实现充分的压电特性(与压力相应的极化特性)变得困难。压电体层134的厚度优选为30nm～200nm，更优选为50nm～100nm。
纤锌矿型的晶体结构以通式AB表示。这里，A为阳性元素(An+)，B为阴性元素(Bn-)。作为纤锌矿型的压电材料，期望使用显示一定水平以上的压电特性的物质，并且能够利用200℃以下的低温工艺使其结晶化的材料。作为一例，能够使用氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、碳化硅(SiC)，可以仅使用这些成分或它们之中的2种以上的组合。
在将2种成分以上组合的情况下，可以将各个成分进行层叠，也可以使用各成分的靶标进行成膜。或者也能够将上述成分或它们之中的2种以上的组合作为主成分使用，任意地包含其它成分。主成分以外的成分的含量只要是发挥本发明的效果的范围，就没有特别限制。在包含主成分以外的成分的情况下，主成分以外的成分的含量优选为0.1at.％以上20at.％以下，更优选为0.1at.％以上10at.％以下，进一步优选为0.2at.％以上5at.％以下。
作为一例，使用将ZnO或AlN作为主成分的纤锌矿型的材料。可以向ZnO、AlN等中添加作为掺杂剂的硅(Si)、镁(Mg)、钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、锂(Li)等添加时不显示导电性的金属。上述掺杂剂可以为1种，也可以将2种以上的掺杂剂组合并添加。通过添加这些金属，从而能够降低裂缝的产生频率。在使用透明的纤锌矿型结晶材料作为压电体层13的材料的情况下，适于应用于显示器。
压电体层13形成于由非晶质的氧化物导电体形成的第1电极12上，因此不需要在压电体层13的下方插入特别的基底取向膜。这是因为第1电极12作为电极起作用的同时，也作为压电体层13的基底取向膜起作用。
第2电极14可以由非晶质的透明的氧化物导电体形成，也可以由金属、合金等形成。在使用非晶质的透明的氧化物导电体的情况下，可以为与第1电极12相同的材料，也可以为不同的材料。
图1的压电器件10能够利用以下工序来制作。在基材11上，由非晶质的氧化物导电体形成第1电极12。作为第1电极12，例如，在Ar气氛中、或Ar中混合有规定比例的O2的混合气体气氛中，利用DC(直流)或RF(高频)的磁控管溅射，形成ITO膜、IZO膜、IZTO膜、IGZO膜等非晶质的氧化物导电体的膜。根据器件的形态，可以将第1电极12作为β电极使用，可以使用将电极膜通过蚀刻处理等加工成规定的形状图案的电极膜。在压电器件10作为触摸面板等的压力传感器使用的情况下，第1电极12的图案可以为沿着第1方向平行地配置的多个条纹状的图案。
在第1电极12上，形成压电体层13。作为一例，使用ZnO靶标，在Ar与微量的O2的混合气体气氛中，通过RF磁控管溅射进行成膜。ZnO的压电体层13的膜厚为20～250nm。只要作为基底的第1电极12的非晶质结构得以维持，则ZnO的成膜温度可以不一定为室温。例如，可以在150℃以下的基板温度进行成膜。
通过第1电极12与压电体层13的成膜使用溅射法，从而能够在几乎保持化合物的靶标的组成比的状态下形成附着力强的均匀的膜。此外，能够仅利用时间的控制，就精度良好地形成所期望的厚度的膜。
接下来，在压电体层13上形成规定的形状的第2电极14。作为第2电极14，通过例如DC或RF的磁控管溅射，从而在室温下形成厚度20～100nm的ITO膜。第2电极14可以形成于基板整面，在条纹状地图案形成有第1电极12的情况下，可以作为在与延伸设置条纹的方向正交的方向上平行地延伸的多个条纹来形成。由此，完成压电器件10。使用样品来确认这样操作制作而成的压电器件10的特性。
图2为用于特性评价的样品20的示意图。在基材21上，依次层叠第1电极22、和压电体层23。作为基材21，使用厚度50μm的PET。作为第1电极22，通过磁控管溅射在室温下形成非晶质的氧化物导电体的薄膜。在后述的特性计测中，使用改变了第1电极22的种类和厚度的3种样品20，计测特性。此外，进一步制作改变了第1电极22的成膜中的Ar与O2的流量比的2种样品20，计测特性。
作为压电体层23，将厚度200nm的ZnO膜在室温下生长，制作3mm×3mm的样品20。作为样品20的特性，测定压电体层23的结晶取向性、雾度值(模糊度)和作为压电特性的d33值。
结晶取向性通过利用X射线摇摆曲线(XRC：X-ray Rocking Curve)法，测定来自ZnO的(002)面的反射来求出。反射摇摆曲线表示ZnO的结晶在c轴向上的结晶轴的取向的波动，摇摆曲线的FWHM值(半峰全宽)越小，则结晶的c轴取向性越良好。
雾度值(模糊度)表示结晶的模糊容易性，以扩散透射光相对于全光线透射光的比例表示。雾度值越小，则透明度越高。雾度的测定使用suga试验机制的雾度计。
d33值为表示在厚度方向上的伸缩模式的值，为在厚度方向上施加的每单位压力的极化电荷量。d33值有时也被称为“压电常数”。d33值越高，则在厚度方向上的极化特性越良好。
图3为说明d33值的测定方法的图。作为测定装置30，使用piezo test公司制的压电仪PM300，直接测定d33值。为了测定，在样品20的上下，即，基材21的背面和压电体层23的上表面粘贴铝箔，将设置有铝(Al)膜41和42的样品20夹入测定装置30的电极31与电极32之间。
通过压头33，从压电体层23侧向样品20以低频施加负荷，利用库仑计35测定产生的电荷量。将测定的电荷量除以负荷得到的值为d33值。
图4表示对于改变作为下部电极的第1电极22的种类和厚度，在将相对于Ar的O2流量比固定于1.0％的气氛中制作的实施例的样品1～3，以及改变第1电极22的成膜中的Ar与O2的流量比而成膜的实施例的样品4～5的评价结果。样品的参数包含第1电极22的材料和厚度、Ar与O2的流量比(O2/(Ar+O2))、压电体层23的c轴取向性、雾度(模糊度)和d33值。与c轴取向性、雾度值和d33值的数值一起，将数值良好的情况以双重圆(◎)表示，将能够容许的情况以圆圈标记(○)表示，将容许范围外的情况以交叉符号(×)表示。
样品1为在PET膜基材21上，形成厚度10nm的IZO膜作为第1电极22，在IZO膜上配置有厚度200nm的ZnO膜的样品。IZO膜的Zn相对于In与Zn的总量的比例为10wt％。
样品1的XRC的半峰全宽为4.4°，处于作为c轴取向性能够容许的范围内。雾度值为1.7％，确保透明度。d33值为2.2(pC/N)，在厚度方向上的极化特性良好。
样品2为在PET膜基材21上，形成厚度50nm的IZO膜作为第1电极22，在IZO膜上配置有厚度200nm的ZnO膜的样品。IZO膜的Zn相对于In与Zn的总量的比例为10wt％。
样品2的XRC的半峰全宽小达3.3°，c轴取向性良好。雾度值为1.4％，确保透明度。d33值为5.0(pC/N)，在厚度方向上的极化特性非常地良好。
样品3为在PET膜基材21上，形成厚度100nm的IZO膜作为第1电极22，在IZO膜上配置有厚度200nm的ZnO膜的样品。IZO膜的Zn相对于In与Zn的总量的比例为10wt％。
样品3的XRC的半峰全宽为3.7°，c轴取向性良好。雾度值为1.4％，确保透明度。d33值为4.3(pC/N)，在厚度方向上的极化特性良好。
样品4为在PET膜基材21上，形成厚度50nm的ITO膜作为第1电极22，在ITO膜上配置有厚度200nm的ZnO膜的样品。ITO膜的Sn相对于In与Sn的总量的比例为10wt％。第1电极22的成膜气体仅为Ar气体(O2流量比为零)。
样品4的XRC的半峰全宽为4.0°，处于作为c轴取向性能够容许的范围内。雾度值为0.9％，获得高透明度。d33值为2.0(pC/N)，在厚度方向上的极化特性良好。
样品5为在PET膜基材21上，形成厚度50nm的ITO膜作为第1电极22，在IZO膜上配置有厚度200nm的ZnO膜的样品。ITO膜的Zn相对于In与Sn的总量的比例为10wt％。第1电极22的成膜中的氧比率，即，O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比例为1.5％。
样品5的XRC的半峰全宽小达3.5°，c轴取向性良好。雾度值也为0.7％，获得高透明度。d33值为2.6(pC/N)，在厚度方向上的极化特性非常地良好。
由样品4和样品5的测定结果可知，在将透明导电膜成膜时，混合微量的O2气体的情况下，非晶质得以维持，压电体层的c轴取向性和透明度提高。
样品1～5都是作为压电体层23的ZnO的c轴取向性良好，或在容许范围内。这表明通过由非晶质的氧化物导电体形成第1电极22，从而第1电极22上生长的ZnO的结晶取向性提高了。
此外，认为通过由非晶质的氧化物导电体形成第1电极22，从而在树脂或塑料的基材21上形成第1电极22时，基材21的表面凹凸得以吸收，降低了第1电极22的表面粗糙度。即，在第1电极22与压电体层23的界面，晶界的比例变少，裂缝、泄漏通路的产生得以抑制。
由上述可知，通过使由非晶质的氧化物导电体形成的第1电极22的膜厚为至少10nm～100nm的范围，从而上层的压电体层23的结晶性和压电特性提高。在第1电极22的成膜时，Ar气体中混合规定比例的O2的情况下，在保持非晶质的状态下透明度提高。关于维持非晶质的O2的流量比的适当的范围，参照图7进行后述。
＜比较例＞
图5为比较例的测定结果。比较例1和比较例2表示在基材21上形成有金属的电极膜时的ZnO的结晶特性和压电特性。比较例3表示在基材21上，形成有结晶性的ITO膜时的ZnO的结晶特性和压电特性。比较例3中，第1电极22的成膜中的氧比率为4.8％。使所使用的基材21的种类和厚度、以及ZnO层的厚度与实施例的样品20相同。
比较例1中，在基材21上，形成厚度50nm的Ti膜，在Ti膜上形成ZnO层作为压电体层23。比较例1的XRC的半峰全宽为5.7°，与实施例的样品1～3相比变宽，但是作为c轴取向性在容许范围内。然而，关于结晶的透明度，不需要测定雾度值，目视就观察到模糊，是不透明的。
d33值在使用的测定装置的析像度时，不能感知极化，压电特性差。在该构成中，不能作为压电传感器使用。
比较例2中，在基材21上，形成厚度50nm的Al膜，在AL膜上形成ZnO层作为压电体层23。比较例2的XRC的半峰全宽为19.5°，非常地宽，c轴取向性在容许范围外。关于结晶的透明度，不需要测定雾度值，目视就观察到模糊，是不透明的。关于极化特性，使用的测定装置不能感知极化，d33为零。
图6为说明比较例1、2中的d33值的不良原因的图。在基材21为塑料、树脂的情况下，由于膜形成的工艺、材料本身的挠性，表面产生凹凸。如果在这样的基材21上，形成作为结晶体的金属的电极膜122，则不能充分地吸收基底表面的凹凸，电极膜122的表面也出现突起101。
如果在金属的电极膜122上，形成压电体层23，则由于电极膜122的表面的凹凸，压电体层23产生裂缝102，上部的电极(例如Al膜)与金属的电极膜122之间形成泄漏通路。其结果是由极化产生的电荷被消除，不能获得d33值。
比较例3中，在基材21上，形成厚度50nm的结晶质的ITO膜，在ITO膜上形成ZnO层作为压电体层23。如果将ITO膜的成膜中的氧比率设定为4.8％，则所形成的ITO膜成为结晶质。比较例3的XRC的半峰全宽宽达10.0°，c轴取向性为容许范围外。在基底的电极膜为结晶质的情况下，对于使用的测定装置的精度，不能感知来自ZnO层的产生电荷，不能获得d33值。另一方面，通过制成ITO膜，从而雾度值高达1.0，获得透明度。
图7为以不同的O2/Ar流量比成膜的样品的微小入射角X射线衍射(GIXD：GrazingIncidence X-ray Diffraction)的测定结果。使在PET基板上，O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比率(氧比率)变为0％、0.5％、1.5％、4.8％，成膜为ITO膜。将成膜后，以没有进行热退火处理的as-depo状态，通过GIXD法出现多个面方位峰的物质定义为结晶化ITO。
O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比率为4.8％时，出现多个面方位峰，特别是在(222)结晶面的峰突出。2θ为26度时的小的峰是来源于PET基板的峰。
O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比率为0％时、和0.5％时，除了来源于PET的小的峰以外，为基本上平坦的测定图谱，成膜的ITO膜为非晶质。O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比率为1.5％时，是仅(222)结晶面略微出现峰的状态，该峰强度比来源于PET的峰小，因此判断为非晶质。
由该测定结果，通过将O2流量相对于Ar气体和O2的总流量的比率设为0％～2％，更优选为0％～1.5％，从而能够使第1电极22成为非晶质，使上层的压电膜的c轴取向性、透明度和压电特性变得良好。
如果将图4的实施例和图5的比较例进行比较，通过由非晶质的氧化物导电体形成至少在基材21与压电体层23之间所配置的电极，从而压电体层23的结晶取向性和压电特性提高，实现精度良好的压电器件。通过使氧化物导电体的成膜中的氧比率为2％，更优选为1.5％以下，从而获得非晶质的膜。
以上，基于特定的例子说明了本发明，但是本发明并不限定于上述构成例、制造工序。例如，在由非晶质的氧化物导电体制作第1电极的情况下，可以通过在溅射工艺中导入水分，从而在塑料的基材21上，形成低电阻的非晶质膜。
包含本发明的非晶质的氧化物导电体的电极和压电体层13的层叠体15不仅能够用于压电传感器，而且也能够利用逆压电效应而用于扬声器、共振器等压电器件。通过对于压电体层13施加交流的电信号，从而压电体层13产生与其共振频率相应的机械的振动。通过下层所配置的非晶质的第1电极12的存在，压电体层13的c轴取向性和极化特性良好，能够提高作为压电器件的动作精度。
本申请基于于2018年9月28日申请的日本专利申请第2018-185548号和2019年9月24日申请的日本专利申请第2019-173384号，主张其优先权，包括这些日本专利申请的全部内容。
符号的说明
10 压电器件
11、21 基材
12、22 第1电极
13、23 压电体层
14 第2电极
15 层叠体
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特表2015-519720号公报。

Claims (13)

1.一种压电器件，其特征在于，在基材上，依次层叠有第1电极、压电体层以及第2电极，
至少所述第1电极由非晶质的氧化物导电体形成。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，
所述第1电极为ITO、IZO、IZTO或IGZO。
3.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述第1电极的厚度为10nm～200nm。
4.根据权利要求3所述的压电器件，其特征在于，
所述第1电极的厚度为10nm～100nm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的压电器件，其特征在于，
所述压电体层具有纤锌矿型的晶体结构。
6.根据权利要求5所述的压电器件，其特征在于，
所述压电体层将选自氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、碳化硅(SiC)、和它们的组合中的材料作为主成分来形成。
7.根据权利要求6所述的压电器件，其特征在于，
所述压电体层在所述主成分中含有选自镁(Mg)、钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、硅(Si)、锂(Li)和它们的组合中的材料作为副成分。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的压电器件，其特征在于，
所述压电体层的d33值为2.2～5.0pC/N。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的压电器件，其特征在于，
所述基材由塑料或树脂形成。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的压电器件，其特征在于，
所述第2电极由非晶质的氧化物导电体形成。
11.一种压电器件的制造方法，其特征在于，
在基材上，作为第1电极，形成非晶质的氧化物导电体的层，
在所述第1电极上，形成具有纤锌矿型的晶体结构的压电体层，
在所述压电体层上，形成第2电极。
12.根据权利要求11所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
在塑料或树脂的所述基材上，通过室温下的溅射法来形成所述第1电极。
13.根据权利要求11或12所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
所述第1电极的成膜中的、氧流量相对于氩和氧的总流量的比率为0％以上2.0％以下。
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