CN115280673A - 层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及压电器件的制造方法 - Google Patents

层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及压电器件的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115280673A
CN115280673A CN202180021031.3A CN202180021031A CN115280673A CN 115280673 A CN115280673 A CN 115280673A CN 202180021031 A CN202180021031 A CN 202180021031A CN 115280673 A CN115280673 A CN 115280673A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wurtzite
thin film
layer
thickness
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180021031.3A
Other languages
English (en)
Inventor
中村大辅
石川岳人
圆冈岳
待永广宣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nitto Denko Corp
Original Assignee
Nitto Denko Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nitto Denko Corp filed Critical Nitto Denko Corp
Publication of CN115280673A publication Critical patent/CN115280673A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H10N30/706—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings characterised by the underlying bases, e.g. substrates
    • H10N30/708—Intermediate layers, e.g. barrier, adhesion or growth control buffer layers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02157—Dimensional parameters, e.g. ratio between two dimension parameters, length, width or thickness
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/057—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by stacking bulk piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/58—Multiple crystal filters
    • H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
    • H03H9/583—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques comprising a plurality of piezoelectric layers acoustically coupled
    • H03H9/585—Stacked Crystal Filters [SCF]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

本申请提供一种压电层的厚度即使在亚微米的区域，也具有充分的结晶取向性的层叠体以及使用了该层叠体的压电器件。层叠体依次层叠有第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层以及第2纤维锌矿型薄膜，上述第1电极层由与上述第2纤维锌矿型薄膜相比声阻抗高的金属材料来形成。

Description

层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及 压电器件的制造方法
技术领域
本发明涉及层叠体及使用了该层叠体的压电器件、及其制造方法，特别是关于高频用的薄膜层叠体和压电器件。
背景技术
一直以来，使用了利用物质的压电效果的压电组件。压电效果是指通过对于物质施加压力，从而获得与压力成比例的极化的现象。利用压电效果，制作出压力传感器、加速度传感器、检测声波的AE(声发射)传感器等各种传感器。
近年来，作为面向智能手机的高频带通噪声滤波器，使用了体声波(BAW：BulkAcoustic Wave)滤波器，纤维锌矿型的压电薄膜被应用于BAW滤波器。BAW滤波器将压电薄膜的厚度方向的振动(厚度振动)作为工作原理，因此要求结晶方位朝向同一方向的结晶取向性高的压电膜。
BAW滤波器为了将产生的振动能限制在压电薄膜内以谋求特性提高，需要电极的密度和杨氏模量高，使用成为高声阻抗的重的金属。
然而，一般而言，声阻抗高的金属与纤维锌矿型薄膜的层叠中，晶格整合度低，纤维锌矿型压电薄膜的结晶取向性紊乱。
为了解决该问题，提出了在基板上依次形成第1纤维锌矿型压电薄膜、作为电极的功能性物质层以及第2纤维锌矿型压电薄膜的构成。通过该层叠结构，提高功能性物质层与第2纤维锌矿型压电薄膜的晶格整合度，提高第2纤维锌矿型压电薄膜的结晶取向性(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特许第4117376号
发明内容
发明要解决的课题
在BAW滤波器所代表的高频器件中，假定为利用次6GHz带、毫波带等的5G通信，进一步要求高频化。在作为工作原理使用压电薄膜的情况下，驱动频率由压电薄膜的膜厚来确定。为了实现次6GHz带或其以上的高频化，要求在膜厚为数百nm的极薄膜区域的高结晶取向性。
在上述现有技术文献中，为了提高作为电极的功能性物质层与第2纤维锌矿型压电薄膜之间的晶格整合性，在功能性物质层的下层插入有第1纤维锌矿型压电薄膜。然而，功能性物质层与纤维锌矿型压电层的基本结构大幅不同，因此得不到充分的晶格整合性。利用现有技术文献的方法，不能说实现了结晶取向性接近于良好的外延生长的生长机理。
一般而言，可以说在薄膜生长中，即使生长初始的结晶取向性紊乱，膜厚越厚，则初始的结晶紊乱的影响越小，结晶取向性提高。在上述现有技术文献中，第2纤维锌矿型压电薄膜的厚度厚达1μm，因此认为结晶取向性一定程度提高了。
然而，为了应对高频，在使第2纤维锌矿型压电薄膜变薄的情况下，产生初始的结晶紊乱的影响变大，得不到适于高频器件的充分的结晶取向性这样的问题。
本发明是鉴于上述课题而提出的，提供压电层的厚度即使在亚微米的区域，也具有充分的结晶取向性的压电器件。
用于解决课题的方法
在实施方式中，通过插入调整被层叠的物质层彼此的结晶生长的整合度的取向控制层，从而促进结晶生长，实现具备接近于外延生长层的结晶取向性的纤维锌矿型压电薄膜的压电器件。
本公开的第1方式中，压电器件依次层叠有第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层和第2纤维锌矿型薄膜，
上述第1电极层由与上述第2纤维锌矿型薄膜相比声阻抗高的金属材料来形成。
发明的效果
通过上述构成，压电层的厚度即使在亚微米的区域，也实现具有良好的结晶取向性的压电器件。
附图说明
图1A为表示实施方式的层叠体的第1构成例的图。
图1B为使用了图1A的层叠体的压电器件的示意图。
图2A为表示实施方式的层叠体的第2构成例的图。
图2B为使用了图2A的层叠体的压电器件的示意图。
图3为表示结晶取向度与机电耦合系数的关系的图。
图4为表示各构成的结晶取向性的图。
图5为表示六方晶金属层与第1电极的膜厚比R1，以及结晶取向度的图。
图6为表示第1纤维锌矿型薄膜与非晶质层的膜厚比R2，以及结晶取向度的图。
图7为表示第1纤维锌矿型薄膜与第2纤维锌矿型薄膜的膜厚比R3，以及结晶取向度的图。
具体实施方式
在实施方式中，为了实现高频用的压电器件，将作为功能层的压电层由厚度小于1000nm(亚微米)，优选为数百nm的纤维锌矿型薄膜来形成。为了在该薄压电层中，有效地限制振动能，作为电极，使用声阻抗比压电层高的金属。根据声阻抗的差，在电极与压电层的界面反射声波，振动能被限制于压电层。
声阻抗以密度与音速的积表示。音速与物质的弹性模量相关，越是弹性模量高的物质，音速越快。所谓电极具有高声阻抗，是指电极材料的密度和杨氏模量的至少一者高。密度高的(重)金属中，杨氏模量高时，电能与声能之间的转换效率提高。
另一方面，如后述那样，压电层的结晶取向对于电能与声能之间的转换效率带来影响。压电层的结晶取向性越好，则能量转换效率越高。
为了在电极上，结晶取向性良好地生长作为压电层的纤维锌矿型薄膜，作为电极的基底，插入其它纤维锌矿型薄膜。进一步，在基底的纤维锌矿型薄膜与电极之间、以及电极与作为压电功能层的纤维锌矿型薄膜之间，配置与纤维锌矿的晶体结构相同的六方晶系的金属层。
在良好的构成例中，为了改善结晶取向性，除了基底的纤维锌矿型薄膜和六方晶金属层以外，可以使用非晶质的取向控制层。
通过该构成，在层叠方向上相邻的层与层之间，结晶生长的整合性得以调整，实现接近于外延生长的结晶生长。形成于电极上的压电层即使为亚微米，例如数百nm这样的薄度，也具有良好的结晶取向性。
＜层叠体和压电器件的构成例＞
图1A为实施方式的层叠体110的示意图。层叠体110在基板11上，依次具有非晶质层12、第1纤维锌矿型薄膜13、第1六方晶金属层14、第1电极层15、第2六方晶金属层16和第2纤维锌矿型薄膜17。本说明书中，“上侧”、“下侧”、“上层”、“下层”等表示位置的上下关系的用语不是绝对的位置关系，是为了使发明的理解变得容易，表示器件的层叠方向上的上下位置。
不论基板11的种类如何，能够使用硅(Si)基板、玻璃基材、塑料基材等适当的材料。在使用塑料基材的情况下，可以为能够对于器件赋予弯曲性的挠性的基板。
作为塑料基板，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。在将压电器件10用作BAW滤波器的情况下，基板11的一部分可以被加工成隔膜形状。
非晶质层12在基板11的表面能够结晶取向性良好地生长第1纤维锌矿型薄膜13的情况下，可以省略，但是通过插入非晶质层12，从而层叠整体的结晶取向性提高。在作为非晶质层12使用无机材料的情况下，只要提高基板11与第1纤维锌矿型薄膜13的润湿性，改善第1纤维锌矿型薄膜13的结晶取向性，则任何材料都可以。作为无机的非晶质层12，能够使用ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)等。或者可以使用添加有Al2O3和SiOx的ZnO(以下，称为“SAZO”)或Al2O3、SiOx等。
即使在作为非晶质层12使用有机材料的情况下，只要改善第1纤维锌矿型薄膜13的结晶取向性，则任何材料都可以。作为有机的非晶质层12，能够使用丙烯酸系树脂、氨基甲酸酯树脂、三聚氰胺树脂、醇酸树脂、硅氧烷系聚合物等。
非晶质层12可以为单层，也可以为2层或2层以上的层叠。在成为层叠的情况下，可以成为无机非晶质层与有机非晶质层的层叠。
非晶质层12的膜厚没有特别限定，期望为3nm以上100nm，更期望为10nm以上50nm以下的范围。非晶质层12的厚度小于3nm时，不易表现作为取向控制性的功能。如果非晶质层12的厚度超过100nm，则器件的薄膜化变得困难。
第1纤维锌矿型薄膜13是为了提高第2纤维锌矿型薄膜17的结晶取向性而配置的。第1纤维锌矿型薄膜13上所形成的第1六方晶金属层14、第1电极层15以及第2六方晶金属层16反映第1纤维锌矿型薄膜13的结晶取向性。第1电极层15与第2纤维锌矿型薄膜17之间的基本结构的差异得以缓解，在包含第1电极层15的电极结构上，第2纤维锌矿型薄膜17的结晶取向性得以良好地生长。
第1纤维锌矿型薄膜13期望包含选自氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、或氮化铟(InN)中的1种以上的化合物作为主成分。第1纤维锌矿型薄膜13与作为压电层起作用的第2纤维锌矿型薄膜17可以为相同的材料，也可以为不同的材料。从结晶晶格的整合性和制造工序的简便性的观点考虑，第1纤维锌矿型薄膜13和第2纤维锌矿型薄膜17期望具有同一化合物作为主成分。
第1纤维锌矿型薄膜13的膜厚期望为5nm以上50nm以下，进一步期望为10nm以上30nm以下的范围。如果膜厚超过50nm，则接近于作为功能层的第2纤维锌矿型薄膜17的厚度，存在引起多重共振等不必要的振动的可能性。在膜厚小于5nm时，难以对于上层充分地传导第1纤维锌矿型薄膜13的c轴取向性。
第2纤维锌矿型薄膜17的膜厚根据目标的共振频率而最佳值发生变化，因此没有特别限制。如果目标的共振频率为6～10GHz，则期望为300nm以下，如果为10GHz以上，则期望为200nm以下。
第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16作为取向控制层起作用。如果为具有与纤维锌矿相同晶格结构的六方晶金属，则任何材料都可以。能够使用钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钌(Ru)、锌(Zn)、钇(Y)、钪(Sc)、它们的组合等。
第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16作为调整晶格整合性的取向控制层起作用，因此期望将同一化合物作为主成分。
第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16的膜厚期望为5nm以上50nm以下，更期望为10nm以上30nm以下的范围。在膜厚小于5nm时，充分地发挥调整晶格整合性的功能变得困难。如果膜厚超过50nm，则接近于第1电极层15的厚度，存在作为取向控制层的第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16彷佛作为电极起作用的担忧。
如果第1电极层15具有与第2纤维锌矿型薄膜17相比高的声阻抗，则任何材料都可以。如上述那样，为了具有高的声阻抗，期望为高密度，高杨氏模量的材料。作为高声阻抗，并且高杨氏模量的材料，能够使用钼(Mo)、钨(W)、钌(Ru)、铑(Rh)、钛(Ti)、铪(Hf)等。
第1电极层15的膜厚根据目标的共振频率而最佳值发生变化，因此没有特别限定。可以将第1电极层15由与第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16的同一材料来形成，制成单一的六方晶电极层。
第2纤维锌矿型薄膜17与第1纤维锌矿型薄膜13同样地，期望包含选自ZnO、AlN、GaN或InN的1种以上的化合物作为主成分。
如上述那样，第2纤维锌矿型薄膜17的膜厚根据目标的共振频率而最佳值发生变化，因此没有特别限制。如果在次6GHz带使用，则第2纤维锌矿型薄膜17的膜厚期望为300nm以下。由于基底具有非晶质层12、第1纤维锌矿型薄膜13和第1六方晶金属层14的层叠，因此即使厚度为300nm以下的薄膜，第2纤维锌矿型薄膜17的结晶取向性也良好。第2纤维锌矿型薄膜17在膜厚方向上具有良好的振动特性。
图1B为使用了图1A的层叠体110的压电器件10的示意图。压电器件10在层叠体110的第2纤维锌矿型薄膜17上具有第2电极层18。第2纤维锌矿型薄膜17产生与被施加于第1电极层15与第2电极层18之间的电场的振动相应的电信号。
第2电极层18只要为具有导电性的金属，则任何材料都可以。从提高振动能的限制效果的观点考虑，期望具有与第2纤维锌矿型薄膜17相比高的声阻抗的材料，能够使用钼(Mo)、钨(W)、钌(Ru)、铑(Rh)、钛(Ti)、铪(Hf)等。
图2A为实施方式的层叠体120的示意图。层叠体120不具有非晶质层12，除此以外，与图1A的层叠体110的层叠结构相同。层叠体120在基板21上，依次具有第1纤维锌矿型薄膜23、第1六方晶金属层24、第1电极层25、第2六方晶金属层46和第2纤维锌矿型薄膜27。即使在不使用非晶质层的情况下，通过第1纤维锌矿型薄膜23和第1六方晶金属层24，使第1纤维锌矿型薄膜23的晶格结构反映于第1电极层25，从而能够改善第2纤维锌矿型薄膜27的结晶取向性。
图2B为使用了图2A的层叠体120的压电器件20的示意图。压电器件20在层叠体130的第2纤维锌矿型薄膜27上具有第2电极层28。
第2电极层28只要是具有导电性的金属，则任何材料都可以，从提高振动能的限制效果的观点考虑，期望具有与第2纤维锌矿型薄膜27相比高的声阻抗。第2纤维锌矿型薄膜27产生与被施加于第1电极层25与第2电极层28之间的电场的振动相应的电信号。
＜压电器件的评价＞
图3为表示取向度与机电耦合系数的通常的关系性的图。该图显示于Naik,etal.,IEEE TUFFC,47,(2000)292。
横轴的结晶取向度以通过X射线摇摆曲线法来测定从试样表面的反射时的、峰波形的半值总宽度(FWHM：Full Width at Half Maximum)来表示。X射线摇摆曲线的FWHM越小，则压电体的结晶取向性越良好。
在纤维锌矿型结晶的情况下，测定从结晶的(0002)面的反射而获得的X射线摇摆曲线的FWHM表示结晶彼此的c轴向的排列的平行的程度。X射线摇摆曲线的FWHM越小，则结晶的c轴取向性越良好。
纵轴的k2表示机电耦合系数。机电耦合系数表示相对于压电体被规定的电能与声能之间的能量转换效率。电能与声能之间的能量转换效率越高，则作为压电器件的动作效率越良好。
为了作为高频用压电器件适当地工作，第2纤维锌矿型薄膜17的X射线摇摆曲线的FWHM期望为6°以下。即使在压电器件中，为了作为BAW滤波器等高频器件进行工作，X射线摇摆曲线的FWHM期望为机电耦合系数开始饱和的4°以下。
以下，为了具有良好的压电特性，对期待何种器件构成进行评价。制作不同构成的多个样品，通过X射线摇摆曲线法评价FWHM。
图4为样品的评价结果。作为构成的参数，将非晶质层12的有无取纵向，将第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16的有无取横向。除了非晶质层12的有无，以及第1六方晶金属层14和第2六方晶金属层16的有无以外，全部以相同的条件来制作样品。
＜样品No.1＞
样品No.1具有与图1的实施方式的压电器件10相同的层叠构成。在无碱玻璃的基板上，作为非晶质层，利用DC磁控溅射法成膜为50nm的厚度的IZO。作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO。作为第1六方晶金属层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度30nm的Ti，作为第1电极层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度300nm的Mo，作为第2六方晶金属层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度30nm的Ti。作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。ZnO的200nm的膜厚与15GHz左右的共振频率相对应。上述成膜全部以非加热方式来实施。
通过X射线摇摆曲线法，观测从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为3.3°。
该FWHM落入图3的特性的6°以下的范围，进一步，落入作为BAW滤波器的适合的4°以下的范围。样品No.1的特性良好，在图4中评价为“GOOD”(良好)。
＜样品No.2＞
样品No.2具有与实施方式的图2的压电器件20相同的层叠构成，不使用非晶质层。
在无碱玻璃的基板上，作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO。作为第1六方晶金属层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度30nm的Ti，作为第1电极层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度300nm的Mo，作为第2六方晶金属层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度30nm的钛Ti。作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。上述成膜全部以非加热方式来实施。
通过X射线摇摆曲线法，测定从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为6.0°。该FWHM落入图3的特性的6°以下的范围，能够作为高频用压电器件进行工作。样品No.2的特性也良好，在图4中评价为“GOOD”。
＜样品No.3＞
样品No.3使用了非晶质层，但是第1六方晶金属层和第2六方晶金属层都没有使用。
在无碱玻璃的基板上，作为非晶质层，利用DC磁控溅射法成膜为50nm的厚度的IZO。在IZO上，作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO(第1ZnO)。
在第1ZnO上，作为第1电极层，利用DC磁控溅射法成膜为厚度300nm的Mo。在Mo电极的表面上，作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。上述成膜全部以非加热方式来实施。
通过X射线摇摆曲线法，测定从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为8.8°。该FWHM比图3的特性的6°大，作为具有数百nm的压电功能层的高频用压电器件的结晶取向性，是不充分的。样品No.3的特性不充分，在图4中评价为“NG”(不合格)。
＜样品No.4＞
样品No.4使用非晶质层，并且使用了第1六方晶金属层，但是没有使用第2六方晶金属层。
在无碱玻璃的基板上，作为非晶质层，利用DC磁控溅射法成膜为50nm的厚度的IZO。在IZO上，作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO(第1ZnO)。在第1ZnO上，利用DC磁控溅射法成膜为作为第1六方晶金属层的厚度30nm的Ti和作为第1电极层的厚度300nm的Mo。在Mo电极的表面上，作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。上述成膜全部以非加热方式来实施。
通过X射线摇摆曲线法，测定从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为17.5°。该FWHM与图3的特性的6°以下的范围大幅远离，难以作为压电器件进行工作。样品No.4的特性差，在图4中评价为“NG”。
样品No.4中，虽然使用了非晶质层IZO，但是FWHM发生了劣化，认为是因为通过将Ti插入至第1ZnO与Mo电极之间，从而Mo的结晶晶格发生变形，以该变形没有恢复的状态，成膜为第2ZnO。
＜样品No.5＞
样品No.5使用非晶质层，并且使用了第2六方晶金属层，但是没有使用第1六方晶金属层。
在无碱玻璃的基板上，作为非晶质层，利用DC磁控溅射法成膜为50nm的厚度的IZO。在IZO上，作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO(第1ZnO)。在第1ZnO上，利用DC磁控溅射法成膜为作为第1电极层的厚度300nm的Mo和作为第2六方晶金属层的厚度30nm的Ti。在Ti层上，作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。上述成膜全部以非加热方式来实施。
通过X射线摇摆曲线法，测定从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为15.3°。该FWHM与图3的特性的6°以下的范围大幅远离，难以作为压电器件进行工作。样品No.5的特性差，在图4中评价为“NG”。
在样品No.5中，虽然使用了非晶质层IZO，但是FWHM发生了劣化，认为是因为通过将Ti插入至Mo电极与第2ZnO之间，从而被Mo电极反映的第1ZnO的结晶晶格发生变形，在该变形产生了的状态下，成膜为第2ZnO。
＜样品No.6＞
样品No.6为参考例，具备现有技术文献所公开的构成。即，不使用非晶质层和六方晶金属层。构成为现有技术文献所公开的构成，但是各层的成膜条件与样品No.1～No.5相同。
在无碱玻璃的基板上，作为第1纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度30m的ZnO(第1ZnO)。第1ZnO上，利用DC磁控溅射法成膜为作为第1电极层的厚度300nm的Mo。在Mo电极上，作为第2纤维锌矿型薄膜，利用RF磁控溅射法成膜为厚度200nm的ZnO。上述成膜全部以非加热方式来实施。
在现有技术文献中，作为第2纤维锌矿型结晶层，形成了厚度1μm的AlN层，但是样品No.6假定为高频器件，因此第2ZnO的厚度与其它样品同样地，设定为200nm。
通过X射线摇摆曲线法，测定从第2ZnO薄膜的(0002)面的反射，测定由峰算出的FWHM。测定结果的FWHM为24.2°。该FWHM与样品No.4和样品No.5相比，与图3的6°以下的范围进一步大幅远离。样品No.6的特性差，在图4中评价为“NG”。
在现有技术文献中，可知形成第2纤维锌矿型结晶层的厚度厚达1μm，从而生长初始的结晶取向性的紊乱得以恢复，但是在样品No.6那样地厚度200nm的薄膜中，结晶取向性的紊乱没有恢复。
由图4的结果可理解，通过将高声阻抗的(重的)电极层的上下用六方晶金属层夹持，从而改善结晶取向性，以及通过使用非晶质层作为取向控制层，从而进一步改善纤维锌矿型薄膜的结晶取向性。
＜膜厚的研究＞
图5表示第1六方晶金属层14(或24)与第1电极层15(或25)的膜厚比R1，以及结晶取向度。作为第1六方晶金属，使用Ti，作为第1电极，使用Mo。样品编号11～14各自使Ti/Mo比(R1)发生变化，测定X射线摇摆曲线的半值总宽度(图中表述为“FWHM”)。
在样品编号11中，Ti的膜厚为30nm，Mo的膜厚为300nm。Ti/Mo比为1/10。此时的X射线摇摆曲线的半值总宽度为3.3°，是良好的。
样品编号12和样品编号13的Ti的膜厚与样品编号11相同，为30nm，将Mo的膜厚分别变更为90nm和200nm。样品编号12的Ti/Mo比为1/3，X射线摇摆曲线的半值总宽度为2.8°，是良好的。
在样品编号14中，将Ti的膜厚设为25nm，将Mo的膜厚设为100nm。样品编号14的Ti/Mo比为1/4，X射线摇摆曲线的半值总宽度为3.3°，是良好的。
在样品编号11～14中，Ti/Mo比的范围为1/10～1/3。通过将膜厚比R1设定为该范围，从而改善上层的第2纤维锌矿型薄膜17和27的结晶取向性。通过使Ti/Mo比为1/10～1/3，从而X射线摇摆曲线的半值总宽度成为3.3°以下，作为BAW滤波器等高频器件适当地工作。如果着眼于样品编号12和14，则第1六方晶金属层14(或24)和第1电极层15(或25)的总膜厚降低至120nm左右，能够改善上层的功能层的结晶取向性，并且将器件进行薄化。如果着眼于样品编号11和13，则能够使声阻抗高的Mo的层成为数百纳米的厚度而充分地限制振动能，并且改善上层功能层的结晶取向性。
图5的评价结果在第2六方晶金属层16(或26)与第1电极层15(或25)的膜厚比方面是适当的。这是因为依次包含第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层和第2纤维锌矿型薄膜的层叠体将第1电极层作为中心，在层叠方向上对称，如果在第1纤维锌矿型薄膜的表面测定X射线摇摆曲线，则图5获得同样的结果。
图6表示第1纤维锌矿型薄膜13或23与非晶质层12的膜厚比R2，以及结晶取向度。作为第1纤维锌矿型薄膜13或23，使用ZnO，作为非晶质层，使用IZO。样品编号21～24各自使ZnO/IZO比(R2)发生变化，测定X射线摇摆曲线的FWHM。
在样品编号21中，ZnO的膜厚为30nm，IZO的膜厚为50nm。ZnO/IZO比为3/5。此时的X射线摇摆曲线的半值总宽度为3.3°，是良好的。
在样品编号22中，IZO的膜厚为50nm，ZnO的膜厚为50nm。ZnO/IZO比为1/1。X射线摇摆曲线的半值总宽度为4.0°，是良好的。
在样品编号23中，ZnO的膜厚为30nm，IZO的膜厚为100nm。ZnO/IZO比为3/10。X射线摇摆曲线的半值总宽度为2.5°，是良好的。
在样品编号24中，ZnO的膜厚为20nm，IZO的膜厚为100nm。ZnO/IZO比为1/5。X射线摇摆曲线的半值总宽度为2.5°，是良好的。
在样品编号21～24中，ZnO/IZO比的范围为1/5～1/1。通过将膜厚比R2设定为该范围，从而改善上层的第2纤维锌矿型薄膜17和27的结晶取向性。在该R2的范围内，X射线摇摆曲线的半值总宽度为4.0°以下，能够作为BAW滤波器适当地工作。
图7表示第1纤维锌矿型薄膜13或23与第2纤维锌矿型薄膜17或27的膜厚比R3，以及结晶取向度。作为第1纤维锌矿型薄膜和第2纤维锌矿型薄膜，使用ZnO。样品编号31～34各自使第1ZnO膜的厚度/第2ZnO膜的厚度(图中，表述为“第1/第2比”)发生变化，测定X射线摇摆曲线的FWHM。
在样品编号31中，第1ZnO的膜厚为30nm，第2ZnO的膜厚为200nm。第1ZnO/第2ZnO的膜厚比为3/20。此时的X射线摇摆曲线的半值总宽度为3.3°，是良好的。
在样品编号32中，第1ZnO的膜厚为30nm，第2ZnO的膜厚为900nm。第1ZnO/第2ZnO的膜厚比为1/30。通过使第2ZnO的膜厚厚达900nm，从而结晶晶格整齐，X射线摇摆曲线的半值总宽度提高至2.5°。
在样品编号33中，第1ZnO的膜厚为50nm，第2ZnO的膜厚为150nm。第1ZnO/第2ZnO比为1/3。X射线摇摆曲线的半值总宽度为4.2°。该值作为高频用压电器件是充分良好的，暗示出在BAW滤波器等中的应用的可能性。
在样品编号34中，第1ZnO的膜厚为30nm，第2ZnO的膜厚为120nm。第1ZnO/第2ZnO比为1/4。X射线摇摆曲线的半值总宽度为2.7°，是良好的。
在样品编号31～34中，第1ZnO/第2ZnO比的范围为1/30～1/3。通过将膜厚比R3设定为该范围，从而上层的第2纤维锌矿型薄膜17和27的结晶取向性变得非常地良好。
如以上那样，即使是使作为功能层的第2纤维锌矿型薄膜17或27的膜厚对应于次6GHz带，或其以上的高频带域而降低至数百nm左右的构成，也获得良好的结晶取向性。在实际的使用时，可以省略基板11或21。
实施方式的压电器件不仅面向智能手机的高频带通噪声滤波器，而且也能够应用于精密定位装置用的驱动致动器、车载LiDAR(Light Detection and Ranging)的光扫描仪等。
本申请基于2020年3月24日申请的日本专利申请第2020-052354号和2020年9月17日申请的日本专利申请第2020-156573号，主张其优先权，包含这些日本专利申请的全部内容。
符号说明
10、20 压电器件
11、21 基板
12 非晶质层
13、23 第1纤维锌矿型薄膜
14、24 第1六方晶金属层
15、25 第1电极层
16、26 第2六方晶金属层
17、27 第2纤维锌矿型薄膜
18、28 第2电极层
110、120 层叠体

Claims (10)

1.一种层叠体，其中，依次层叠有第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层和第2纤维锌矿型薄膜，
所述第1电极层由声阻抗高于所述第2纤维锌矿型薄膜的金属材料来形成。
2.根据权利要求1所述的层叠体，其进一步具有配置于所述第1纤维锌矿型薄膜的基底的非晶质层。
3.根据权利要求2所述的层叠体，所述第1纤维锌矿型薄膜的膜厚为所述非晶质层的膜厚的1/5～1/1。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的层叠体，所述第1六方晶金属层的膜厚与所述第2六方晶金属层的膜厚分别为所述第1电极层的膜厚的1/10～1/3。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的层叠体，所述第1纤维锌矿型薄膜的膜厚为所述第2纤维锌矿型薄膜的1/30～1/3。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的层叠体，所述第2纤维锌矿型薄膜的膜厚小于1μm。
7.根据权利要求6所述的层叠体，所述第2纤维锌矿型薄膜的膜厚为300nm以下。
8.一种压电器件，其具有:
权利要求1～7中任一项所述的层叠体，以及
在层叠方向上配置于所述第2纤维锌矿型薄膜上的第2电极层，
所述第2电极层由声阻抗高于所述第2纤维锌矿型薄膜的金属材料来形成。
9.一种层叠体的制造方法，其中，
在基板上，依次层叠第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层和第2纤维锌矿型薄膜，
由声阻抗高于所述第2纤维锌矿型薄膜的金属材料来形成所述第1电极层。
10.一种压电器件的制造方法，其中，
在基板上，依次层叠第1纤维锌矿型薄膜、第1六方晶金属层、第1电极层、第2六方晶金属层、第2纤维锌矿型薄膜和第2电极层，
由声阻抗高于所述第2纤维锌矿型薄膜的金属材料来形成所述第1电极层和所述第2电极层。
CN202180021031.3A 2020-03-24 2021-03-12 层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及压电器件的制造方法 Pending CN115280673A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020052354 2020-03-24
JP2020-052354 2020-03-24
JP2020156573A JP2021153169A (ja) 2020-03-24 2020-09-17 積層体、これを用いた圧電デバイス、積層体の製造方法、及び圧電デバイスの製造方法
JP2020-156573 2020-09-17
PCT/JP2021/010223 WO2021193167A1 (ja) 2020-03-24 2021-03-12 積層体、これを用いた圧電デバイス、積層体の製造方法、及び圧電デバイスの製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115280673A true CN115280673A (zh) 2022-11-01

Family

ID=77886733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180021031.3A Pending CN115280673A (zh) 2020-03-24 2021-03-12 层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及压电器件的制造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230103499A1 (zh)
EP (1) EP4131438A4 (zh)
JP (1) JP2021153169A (zh)
CN (1) CN115280673A (zh)
TW (1) TWI765612B (zh)
WO (1) WO2021193167A1 (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4117376B2 (ja) 2003-05-16 2008-07-16 独立行政法人産業技術総合研究所 ウルツ鉱型結晶層を含む積層体及びその製造方法
US7642693B2 (en) * 2003-05-15 2010-01-05 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Wurtzite thin film, laminate containing wurtzite crystalline layer and their manufacturing methods
JP2005056940A (ja) * 2003-08-07 2005-03-03 Tdk Corp 電子デバイス用基板、電子デバイスおよびそれらの製造方法
JP2009231981A (ja) * 2008-03-19 2009-10-08 Seiko Epson Corp 半導体装置
JP7151096B2 (ja) * 2018-02-21 2022-10-12 株式会社デンソー 圧電膜、その製造方法、圧電膜積層体、その製造方法
JP2020052354A (ja) 2018-09-28 2020-04-02 ブラザー工業株式会社 定着装置および搬送装置
JP2020156573A (ja) 2019-03-25 2020-10-01 サミー株式会社 遊技機

Also Published As

Publication number Publication date
TW202145805A (zh) 2021-12-01
TWI765612B (zh) 2022-05-21
WO2021193167A1 (ja) 2021-09-30
JP2021153169A (ja) 2021-09-30
EP4131438A4 (en) 2024-05-01
US20230103499A1 (en) 2023-04-06
EP4131438A1 (en) 2023-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111244263B (zh) 压电薄膜元件
US9461616B2 (en) Bulk wave resonator having an aluminum nitride film containing scandium and ScAlN protective layer
JP5471612B2 (ja) 圧電性薄膜素子の製造方法及び圧電薄膜デバイスの製造方法
CN110462860B (zh) 压电装置、以及压电装置的制造方法
US10079334B2 (en) BAW component and method for manufacturing a BAW component
CN100386901C (zh) 电子元件及其制造方法
CN1838531A (zh) 压电谐振元件及其制造方法
Takahashi et al. Sacrificial water-soluble BaO layer for fabricating free-standing piezoelectric membranes
US11495726B2 (en) Piezoelectric element, and resonator using piezoelectric element
CN112740429B (zh) 压电器件及压电器件的制造方法
CN112823432A (zh) 压电器件及压电器件的制造方法
CN115280673A (zh) 层叠体、使用了该层叠体的压电器件、层叠体的制造方法以及压电器件的制造方法
US11393973B2 (en) Hafnium-zirconium oxide (HZO) ferroelectric transducer and method of making the same
JP7215426B2 (ja) 圧電薄膜素子
TWI683461B (zh) 壓電薄膜元件
Tierno et al. Microwave characterization of ba-substituted PZT and ZnO thin films
TW202303106A (zh) 壓電元件、及使用其之感測器及致動器
WO2004084322A1 (ja) 半導体素子、半導体センサーおよび半導体記憶素子
WO2024070851A1 (ja) 圧電素子及び電子機器
WO2023190677A1 (ja) 音響多層膜、高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイス
CN113573897B (zh) 层叠体、使用了该层叠体的压电器件及压电器件的制造方法
CN114793099A (zh) 体声波谐振器
CN117203600A (zh) 压电传感器、其驱动方法及触觉反馈装置
CN116248067A (zh) 体声波谐振器的调谐方法
CN113346866A (zh) 基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination