DE102017106405A1 - Piezoelektrisches keramisches sputtertarget, bleifreier piezoelektrischer dünnfilm und piezoelektrisches dünnfilmelement unter verwendung der selbigen - Google Patents

Piezoelektrisches keramisches sputtertarget, bleifreier piezoelektrischer dünnfilm und piezoelektrisches dünnfilmelement unter verwendung der selbigen Download PDF

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Abstract

Ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget umfassend ein Oxid vom Perowskit-Typ, dargestellt durch eine chemische Formel (I) von ABO3 als Hauptkomponente, wobei die Komponente A der chemischen Formel (I) mindestens K (Kalium) und/oder Na (Natrium) enthält, die Komponente B der chemischen Formel (I) mindestens Nb (Niob) enthält, das piezoelektrische keramische Sputtertarget aus mehreren Kristallkörnern besteht, und der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner größer als 3 μm und nicht größer als 30 μm ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget, einen bleifreien piezoelektrischen Dünnfilm und ein piezoelektrisches Dünnfilmelement unter Verwendung der selbigen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Eine piezoelektrische Keramik, die ein sogenanntes piezoelektrisches Phänomen zeigt, ist bekannt, bei dem mechanische Verformung und Beanspruchung erzeugt werden, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Eine derartige piezoelektrische Keramik wird für ein schwingendes Element, wie etwa einen Aktuator, einen Schallgenerator, einen Sensor oder dergleichen, verwendet.
  • Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(Zr, Ti)O3) mit ausgezeichneter Piezoelektrizität wird am häufigsten als die auf die obige Weise verwendete piezoelektrische Keramik eingesetzt. Da Blei-Zirkonat-Titanat eine große Menge an Blei enthält, wird jedoch jüngst der Einfluss auf die globale Umgebung wie etwa Bleielution aufgrund von saurem Regen als ein Problem angesehen. Dementsprechend besteht ein Bedarf an bleifreien piezoelektrischen Keramiken, um Blei-Zirkonat-Titanat zu ersetzen, und verschiedene piezoelektrische Keramiken ohne Blei wurden gemäß dieser Anforderung vorgeschlagen.
  • Andererseits werden bei den Elektronikkomponenten geringere Größe, höhere Leistung und höhere Zuverlässigkeit gefordert, und den gleichen Trend findet man auch bei piezoelektrischen Komponenten. In den meisten piezoelektrischen Komponenten werden durch ein Sinterverfahren hergestellte Volumenkörper verwendet, doch kommt es vor, dass im Prozess die Kontrolle der Dicke extrem schwierig wird, da seine Schichtdicke geringer wird und die Größe des Kristallkorns zu einer Verschlechterung von Eigenschaften führt. Als ein Mittel zur Lösung dieses Problems wurde in den vergangenen Jahren aktiv Forschung an piezoelektrischen Dünnfilmen, die durch verschiedene Dünnfilmbildungsverfahren hergestellt wurden, und ihre Anwendung in einem Element unter Verwendung derselben vorgenommen.
  • Ein Sputterverfahren ist beispielsweise ein repräsentatives Dünnfilmbildungsverfahren. Sein Mechanismus besteht darin, dass zwischen einem Substrat (Anodenseite), auf dem ein Dünnfilm abgeschieden werden soll, und einem Target (Kathodenseite), das aus einem Material für die Filmabscheidung hergestellt ist und das dem Substrat in einer Inertgasatmosphäre wie etwa Argonatmosphäre gegenüber angeordnet ist, eine Spannung angelegt wird, wodurch ionisierte Edelgasatome zum Kollidieren mit dem Target gezwungen werden, das ein Kathodenmaterial ist, und die konstituierenden Atome des Targets durch die Energie herausgeschlagen werden, wodurch ein Dünnfilm auf dem gegenüberliegenden Substrat abgeschieden wird.
  • Bei der Filmabscheidung unter Verwendung eines Sputterverfahrens zusammen mit der Miniaturisierung von Elektronikkomponenten sind Dünnfilme mit höherer Präzision und höherer Qualität erforderlich. Hinsichtlich der Anforderung an Dünnfilme mit höherer Qualität wird insbesondere die Herstellung von Dünnfilmen mit hoher Dichte und geringerem Defekt ein Problem. Beispielsweise kann die Erzeugung von Partikeln oder Knollen (nodules) als ein Grund für Defekte in einem Dünnfilm unter Verwendung eines Sputterverfahrens aufgeführt werden.
  • Mit der Zunahme der Sputterzeit werden auf der Targetoberfläche kleinste, als Knollen bezeichnete Vorsprünge erzeugt. Aufgrund der Knollen kommt es während des Sputterns zur Lichtbogenbildung, und Fragmente von Knollen und dergleichen werden zu dieser Zeit als Partikel gestreut. Falls die Partikel an dem Dünnfilm haften, werden in diesem Teil Defekte generiert, was bei der Herstellung eines Produkts zu einem Defekt führen kann. Deshalb muss das Problem, wie die Erzeugung der Partikel in einem Sputtertarget unterdrückt werden kann, gelöst werden.
  • Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 ein Verfahren zum Unterdrücken der Erzeugung von Partikeln während der Herstellung des Dünnfilms durch Entwicklung eines Herstellungsverfahrens eines bleibasierten Sputtertargets.
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: JP-A-2000-336474
  • KURZE DARSTELLUNG
  • Während der Herstellung eines bleifreien piezoelektrischen Dünnfilms, insbesondere der Herstellung einer Niobsäureverbindung, gab es ein Problem, wie etwa die Entstehung von Partikeln, die zu Defekten führen. Manchmal wurde jedoch nicht notwendigerweise offenbart, wie dieses Problem effektiv zu lösen ist.
  • Die vorliegende Erfindung besteht angesichts der obigen Umstände und Ziele darin, ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget bereitzustellen, bei dem die Entstehung von Partikeln, die Defekte werden können, während der Herstellung eines bleifreien piezoelektrischen Dünnfilms ausreichend unterdrückt werden kann. Weiterhin strebt die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines bleifreien piezoelektrischen Dünnfilms und eines unter Verwendung des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets ausgebildeten piezoelektrischen Dünnfilmelements an.
  • Um die obigen Ziele zu erreichen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung verschiedene Untersuchungen über Verfahren zum ausreichenden Unterdrücken der Entstehung von Partikeln vorgenommen. Infolgedessen hat sich herausgestellt, dass die Anzahl der entstandenen Partikel während der Sputterfilmabscheidung unter Verwendung eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets durch Steuern des mittleren Partikeldurchmessers des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets unterdrückt werden kann.
  • Das heißt, die vorliegende Erfindung ist ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget umfassend als Hauptkomponente ein Oxid vom Perowskit-Typ, dargestellt durch eine chemische Formel (I) von ABO3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente A der chemischen Formel (I) mindestens K (Kalium) und/oder Na (Natrium) enthält, die Komponente B der chemischen Formel (I) mindestens Nb (Niob) enthält, das piezoelektrische keramische Sputtertarget aus mehreren Kristallkörnern besteht, und der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner größer als 3 μm und nicht größer als 30 μm ist.
  • Dadurch kann die Entstehung von Partikeln während der Sputterfilmabscheidung unter Verwendung eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets ausreichend unterdrückt werden.
  • Die Komponente A der chemischen Formel (I) kann weiterhin Sr (Strontium) und/oder Li (Lithium) enthalten.
  • Die Komponente B der chemischen Formel (I) kann weiterhin Ta (Tantal) und/oder Zr (Zirkonium) enthalten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget bereitzustellen, bei dem die Entstehung von Partikeln, die Defekte werden, während der Herstellung eines bleifreien piezoelektrischen Dünnfilms ausreichend unterdrückt werden kann. Weiterhin ist es auch möglich, einen bleifreien piezoelektrischen Dünnfilm und ein durch Verwenden des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets ausgebildetes piezoelektrisches Dünnfilmelement bereitzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Perspektivansicht, die eine Ausführungsform eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Perspektivansicht, die eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Sputtertargets gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines unter Verwendung eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten bleifreien piezoelektrischen Dünnfilmelements zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in einigen Fällen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, beschrieben. Weiterhin werden in der Beschreibung der Zeichnungen für die gleichen oder äquivalente Elemente gleiche Bezugszahlen verwendet, und wiederholte Erläuterungen entfallen.
  • (Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget)
  • 1 ist eine Perspektivansicht, die eine Ausführungsform eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Hier ist das piezoelektrische keramische Sputtertarget 1 als ein integraler Körper ausgebildet. Außerdem kann, falls notwendig, eine Bearbeitung zum Einstellen der Flachheit oder Dicke der Oberfläche durchgeführt werden. Die Form des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 ist nicht notwendigerweise kreisförmig. Sie kann elliptisch, vierseitig oder polygonal sein. Außerdem gibt es keine besondere Beschränkung hinsichtlich seiner Größe.
  • 2 ist eine Perspektivansicht, die eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets der vorliegenden Erfindung zeigt. Das piezoelektrische keramische Sputtertarget 2 besteht aus mehreren unterteilten Stücken von zwei oder mehr. Hierbei sind die Unterteilungslinien nicht notwendigerweise gerade Linien, und sie können konzentrische Kreise oder gekrümmte Linien sein. Außerdem ist die Form des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 2 nicht notwendigerweise kreisförmig, und sie kann elliptisch, vierseitig oder polygonal sein. Gleichermaßen gibt es keine besondere Beschränkung hinsichtlich seiner Größe.
  • Diese piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 und 2 werden beispielsweise an einer aus Kupfer bestehenden Rückplatte fixiert, dann an einer Sputtervorrichtung montiert und die Sputterabscheidung wird durchgeführt.
  • Das piezoelektrische keramische Sputtertarget der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Oxid vom Perowskit-Typ umfasst, dargestellt durch eine chemische Formel (I) von ABO3 als Hauptkomponente, wobei die Komponente A der chemischen Formel (I) mindestens K (Kalium) und/oder Na (Natrium) enthält, die Komponente B der chemischen Formel (I) mindestens Nb (Niob) enthält, das piezoelektrische keramische Sputtertarget aus mehreren Kristallkörnern besteht, und der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner größer als 3 μm und nicht größer als 30 μm ist. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser 3 μm oder weniger beträgt, nimmt das Korngrenzgebiet zu und die Komponenten, die nicht in den Kristallkörnern enthalten sind, können eine Partikelentstehung bewirken. Wenn außerdem der mittlere Partikeldurchmesser über 30 μm liegt, wird die Abweichung der Zusammensetzungen zwischen dem zentralen Abschnitt und dem Randabschnitt des Kristallkorns offensichtlich, was eine Partikelentstehung verursachen kann. Der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner ist bevorzugt größer als 4 μm und nicht größer als 20 μm. Er ist besonders bevorzugt größer als 5 μm und nicht größer als 15 μm.
  • Sr (Strontium) und/oder Li (Lithium) kann in der Komponente A der chemischen Formel (I) enthalten sein. Außerdem können Ta (Tantal) und/oder Zr (Zirkonium) in der Komponente B der chemischen Formel (I) enthalten sein. Beim Substituieren der Hauptkomponenten mit diesen Elementen kann leicht eine Kompensation vorgenommen werden, um das Molverhältnis A/B der Komponente A und der Komponente B des Oxids vom Perowskit-Typ aufrechtzuerhalten. Es wird bevorzugt, dass die Menge von ihnen 20 Mol-% oder weniger jeweils relativ zur Komponente A oder Komponente B beträgt.
  • Als eine Unterkomponente des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets kann auch eine Komponente von mindestens einem von Mn (Mangan) und Cu (Kupfer) enthalten sein, deren Menge 1 Masse-% oder weniger bezüglich MnO (Manganoxid) und CuO (Kupferoxid) jeweils relativ zur Zusammensetzung der chemischen Formel (1) betragen kann.
  • Das wie oben beschrieben erhaltene piezoelektrische keramische Sputtertarget wird unter Verwendung von Indium oder dergleichen als Haftmittel an eine Rückplatte gebondet.
  • (Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets)
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des in 1 gezeigten piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 unten beschrieben.
  • Als das Rohmaterial der Hauptkomponente des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets werden beispielsweise Na (Natrium), K (Kalium), Li (Lithium), Nb (Niob), Ta (Tantal), Sr (Strontium), Zr (Zirkon) und Ba (Barium) bereitgestellt. Weiterhin werden zusammengesetzte Pulver, die beispielsweise Mn (Mangan) und Cu (Kupfer) enthalten, als die Unterkomponente bereitgestellt. Weiterhin können als die als Rohmaterialien zu verwendenden Verbindungen Oxide oder zusammengesetzte Oxide aus unterschiedlichen Elementen oder Verbindungen wie etwa Carbonaten oder Oxalaten verwendet werden, die bei Erhitzen zu Oxiden werden. Nachdem diese Rohmaterialien ausreichend getrocknet sind, werden sie als Nächstes in einem derartigen Verhältnis gewogen, dass die finale Zusammensetzung innerhalb des oben erwähnten Bereiches liegt. Das Verhältnis der Menge der Hauptkomponente zu der Menge der Unterkomponente wird so eingestellt, dass das Verhältnis der Menge der Unterkomponente, wenn die Hauptkomponente und die Unterkomponente als ein Ganzes genommen werden, 3 Masse-% oder weniger wird. Das Verhältnis der Menge der Unterkomponente beträgt bevorzugt 1 Masse-% oder weniger.
  • Als Nächstes werden diese Materialien in einem organischen Lösemittel oder Wasser unter Verwendung einer Kugelmühle, einer Perlmühle oder dergleichen gemischt und dann getrocknet.
  • Nach dem Kalzinieren dieser Materialien bei 650 bis 1100°C werden die kalzinierten Materialien in einem organischen Lösungsmittel oder Wasser mit beispielsweise einer Kugelmühle, einer Perlmühle oder dergleichen pulverisiert und dann getrocknet, um ein piezoelektrisches keramisches Materialpulver zu erhalten.
  • Ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Sintern des piezoelektrischen keramischen Materialpulvers und Herstellen der Form erhalten.
  • Beispielsweise wird dem piezoelektrischen keramischen Materialpulver ein Binder zugesetzt, um zu granulieren, und das granulierte Pulver wird unter Verwendung einer einachsigen Pressformmaschine oder einer Kaltisostatpresse (CIP – Cold Isostatic Press) oder dergleichen pressgeformt. Die Art des Binders ist nicht besonders beschränkt, und es ist nicht immer notwendig, den Binder zu verwenden, wenn es bei der Formbeibehaltung, der Handhabungseigenschaft, der Sinterfähigkeit und dergleichen kein Problem gibt.
  • Nach dem Formen wird beispielsweise der Pressling erhitzt, um den Binder zu entfernen, und weiterhin 2 bis 8 Stunden lang bei 950 bis 1350°C gesintert, wodurch ein piezoelektrischer keramischer gesinterter Körper erhalten wird. Weiterhin kann der mittlere Partikeldurchmesser durch Einstellen der Sintertemperatur, der Sinterzeit, der Heizrate, der Kühlrate, der Atmosphäre und dergleichen gemäß der Zusammensetzung der Hauptkomponente kontrolliert werden.
  • Um den mittleren Partikeldurchmesser so zu kontrollieren, dass er sich in einem angemessenen Bereich befindet, wird vorzugsweise die Heizrate während des Sinterns des Presslings angemessen reduziert. Dadurch kann ein bevorzugter mittlerer Partikeldurchmesser erhalten werden.
  • Als Nächstes kann, falls notwendig, eine Bearbeitung zum Einstellen der Größe des Außenumfangs oder der Dicke, der Oberflächenbedingungen wie etwa der Oberflächenrauheit und dergleichen an dem resultierenden piezoelektrischen keramischen gesinterten Körper durchgeführt und das piezoelektrische keramische Sputtertarget 1 erhalten werden.
  • Das wie oben beschrieben erhaltene piezoelektrische keramische Sputtertarget 1 wird unter Verwendung von Indium oder dergleichen als der Haftmittel an die Rückplatte gebondet und an eine bei der Filmabscheidung zu verwendende Sputtervorrichtung montiert.
  • Als Nächstes wird das Herstellungsverfahren des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Schritte von Wiegen, Mischen, Kalzinieren bis zur Granulierung wie jene bei der Herstellung des obigen piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 werden ausgeführt.
  • Nach der Granulierung kann das granulierte Pulver unter Verwendung einer einachsigen Pressformmaschine oder einer Kaltisostatikpresse (CIP) oder dergleichen pressgeformt werden, um einen geformten Pressling zu erhalten. Die Fläche des geformten Presslings ist in diesem Stadium kleiner als die finale Fläche des fertiggestellten Targets, aber es werden zwei oder mehr Stücke, die zum Erreichen der finalen Fläche des fertiggestellten Targets notwendig sind, bereit gestellt.
  • Nach dem Formen wird beispielsweise der Pressling erhitzt, um den Binder zu entfernen, und weiterhin 2 bis 8 Stunden lang bei 950 bis 1350°C gesintert, wodurch eine piezoelektrische Keramik erhalten wird. Weiterhin kann der mittlere Partikeldurchmesser durch Einstellen der Sintertemperatur, der Sinterzeit, der Heizrate, der Kühlrate, der Atmosphäre und dergleichen gemäß der Zusammensetzung der Hauptkomponente gesteuert werden.
  • Nach dem Sintern können, falls notwendig, die Größe des Außenumfangs oder die Dicke, die Oberflächenbedingungen wie etwa die Oberflächenrauheit und dergleichen eingestellt werden, doch wird er so ausgebildet, dass nach der Fertigstellung die finale Oberfläche erhalten wird, wenn die Stücke geklebt worden sind. Hierbei sind die Unterteilungslinien nicht notwendigerweise gerade Linien, und sie können konzentrische Kreise oder gekrümmte Linien sein. Zudem ist die Form nicht notwendigerweise kreisförmig, und sie kann elliptisch, vierseitig oder polygonal sein.
  • Das wie oben beschrieben erhaltene piezoelektrische keramische Sputtertarget 2 wird auf eine Weise gebondet, dass Stücke auf der Rückplatte unter Verwendung von Indium oder dergleichen als Haftmittel aneinander geklebt werden, und an eine bei der Filmabscheidung zu verwendende Sputtervorrichtung montiert.
  • Der unterteilte Typ eines piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 2, wie in 2 gezeigt, wird in den Schritten zum Erhalten des piezoelektrischen keramischen gesinterten Körpers verwendet, wenn die Größe des piezoelektrischen keramischen gesinterten Körpers, der hergestellt werden kann, nicht der Größe des angestrebten piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 2 entspricht, oder wenn der Formdruck zum Erhöhen der Dichte des piezoelektrischen keramischen gesinterten Körpers mit Gewissheit sichergestellt werden muss. Somit sind die Herstellungsprozesse im Grunde die gleichen wie die jeweiligen Prozesse des oben beschriebenen piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1. Wenn es jedoch schließlich an die Rückplatte gebondet wird, ist eine präzise Oberflächenbearbeitung erforderlich, so dass individuelle unterteilte Targets ohne Spalten zusammengebaut werden können.
  • (Piezoelektrisches Dünnfilmelement)
  • Das wie oben beschrieben erhaltene piezoelektrische keramische Sputtertarget wird unter Verwendung von Indium als Kleber an einer Kupferrückplatte fixiert.
  • Im Folgenden bedeutet der Ausdruck ”Substrat” in jedem Schritt einen mit einem Film zu beschichtenden Körper. Ein Siliziumwafer als ein Substrat wird in einer Vakuumkammer einer HF-Sputtervorrichtung platziert. Nach dem Evakuieren wird Pt (Platin) als eine untere Elektrodenschicht mit einer Filmdicke von 50 bis 350 nm abgeschieden.
  • Danach wird das Substrat in eine Kammer einer HF-Sputtervorrichtung transferiert, in der ein Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget mit einer Rückplatte montiert ist. Nach dem Evakuieren wird ein umgekehrtes Sputtern zum Substrat durchgeführt. Als das atmosphärische Gas während des umgekehrten Sputterns wird Ar (Argon) in die Kammer eingeleitet. Eine Leistung von 100 bis 1000 W wird bei einem Druck von 0,5 bis 1,5 Pa angelegt und eine Behandlung wird 5 bis 300 Sekunden lang durchgeführt.
  • Nach dem umgekehrten Sputtern wird unter Verwendung des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets mit der Rückplatte ein bleifreier piezoelektrischer Dünnfilm als eine piezoelektrische Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Die Substrattemperatur während der Filmabscheidung beträgt 500 bis 800°C, und die Dicke der piezoelektrischen Schicht beträgt 1000 bis 3500 nm.
  • Danach wird eine obere Elektrode Pt mit einer Filmdicke von 50 bis 350 nm durch Sputtern abgeschieden. Dadurch wird, wie in 3 gezeigt, ein piezoelektrisches Dünnfilmelement 1000, das in dieser Reihenfolge durch das Substrat 100, die untere Elektrode 200, den bleifreien piezoelektrischen Dünnfilm 300 und die obere Elektrode 400 gebildet wird, erhalten. Es kann, falls notwendig, geschnitten oder isolierbeschichtet werden. Weiterhin kann das piezoelektrische Dünnfilmelement 1000 eine Struktur sein, bei der der bleifreie piezoelektrische Dünnfilm 300 zwischen der unteren Elektrode 200 und der oberen Elektrode 400 eingeschlossen ist, und das Substrat 100 kann entfallen.
  • Beispiele
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung auf der Basis von Beispielen und Vergleichsbeispielen spezifischer beschrieben; die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt werden.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Das piezoelektrische keramische Sputtertarget 1, wie in 1 gezeigt, wurde durch die folgenden Schritte hergestellt. Als Erstes wurden NarCO3(Natriumcarbonat)-Pulver, K2CO3(Kaliumcarbonat)-Pulver und Nb2O5(Nioboxid)-Pulver bereitgestellt. Nachdem diese Rohmaterialien ausreichend getrocknet waren, wurde jedes Rohmaterial gewogen, so dass die finale Zusammensetzung wie die folgende Formel (1) sein würde. (K0,400Na0,600)0,975NbO3 (1)
  • Na2CO3(Natriumcarbonat)-Pulver, K2CO3(Kaliumcarbonat)-Pulver und Nb2O5(Nioboxid)-Pulver, wie oben beschrieben gewogen, wurden in ausreichend Ethanol unter Verwendung einer Kugelmühle gemischt, dann getrocknet und pressgeformt und 2 Stunden lang bei 950°C kalziniert.
  • Nachdem die Mischung kalziniert wurde, wurde das kalzinierte Produkt in Ethanol unter Verwendung einer Kugelmühle ausreichend pulverisiert, wieder getrocknet und durch Zusetzen einer Binder-(PVA:Polyvinylalkohol)-Lösung granuliert. Das erhaltene granulierte Pulver wurde unter Verwendung einer einachsigen Pressformmaschine pressgeformt, um einen geformten Pressling zu erhalten. Falls es bei der Herstellung kein Problem gab, müsste der Binder nicht notwendigerweise verwendet werden. Danach wurde eine CIP-Formung ausgeführt, und dieser geformte Pressling wurde auf 600°C erhitzt, um den Binder zu entfernen. Nach einer weiteren CIP-Formung wurde ein piezoelektrischer keramischer gesinterter Körper durch 2 Stunden langes Sintern bei 1100°C in einer Umgebungsatmosphäre mit einer Heizrate von 200°C/Stunde erhalten. Bezüglich des dadurch erhaltenen piezoelektrischen keramischen gesinterten Körpers wurde durch XRD (Rigaku Smart Lab) bestätigt, dass es sich um eine Perowskit-Struktur handelte und keine andere Phase vorlag.
  • Der erhaltene piezoelektrische keramische gesinterte Körper wurde einem Oberflächenschleifen unterzogen, um das piezoelektrische keramische Sputtertarget 1 zu erhalten. Das erhaltene piezoelektrische keramische Sputtertarget 1 wurde unter Verwendung von Indium als ein Kleber an einer Kupferrückplatte fixiert.
  • Danach wurde das Sputtern unter Verwendung des mit der Rückplatte angebrachten piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 durchgeführt, um die Entstehung von Partikeln während der Filmabscheidung des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 zu bestätigen. Im Folgenden wird ein Beispiel des Sputterabscheidungsprozesses beschrieben.
  • Ein Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Inch) und einer Dicke von 400 μm mit einem thermischen Oxidfilm (SiO2:Isolierschicht) wurde als ein Substrat in einer Vakuumkammer einer HF-Sputtervorrichtung platziert. Nach dem Evakuieren wurde Pt (Platin) als eine Elektrodenschicht abgeschieden. Die Substrattemperatur während der Filmabscheidung betrug 400°C, und die Dicke der Elektrodenschicht betrug 200 nm.
  • Danach wurde das Substrat in eine Kammer einer HF-Sputtervorrichtung transferiert, an der ein piezoelektrisches keramisches Sputtertarget 1 mit einer Rückplatte montiert war. Nachdem die Evakuierung durchgeführt wurde, wurde ein umgekehrtes Sputtern am Substrat durchgeführt. Als ein Atmosphärengas während des umgekehrten Sputterns wurde Ar (Argon) mit einer Geschwindigkeit von 50 Norm-Kubikzentimeter in die Kammer geleitet, und eine Leistung von 500 W wurde bei einem Druck von 1 Pa angelegt, um 30 Sekunden lang zu behandeln.
  • Auf das umgekehrte Sputtern folgend wurde ein bleifreier piezoelektrischer Dünnfilm als eine piezoelektrische Schicht auf dem Substrat unter Verwendung des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets 1 mit der Rückplatte abgeschieden. Die Substrattemperatur während der Filmabscheidung betrug 600°C, und die Dicke der piezoelektrischen Schicht betrug 2000 nm.
  • Nach der Abscheidung der piezoelektrischen Schicht wurde die Anzahl an Partikeln mit einem Durchmesser von 0,2 μm oder mehr auf der piezoelektrischen Schicht unter Verwendung eines Topcon WM-3 als eine Waferoberflächenuntersuchungseinrichtung gemessen. Die Partikeldichte wurde durch Dividieren der Anzahl von Partikeln durch die Fläche des Wafers berechnet.
  • Die Korngrößenverteilung des Partikeldurchmessers wurde durch Bildanalyse auf der Basis einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines eingebetteten polierten Querschnitts des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets (gesinterten Presslings), der geätzt wurde, bestimmt. Insbesondere wurden die Größe und die Anzahl der Körner anhand der Rasterelektronenmikroskopaufnahme unter Verwendung einer Bildverarbeitungssoftware von Mac-View gemessen. Der Partikeldurchmesser wurde als der Haywood-Durchmesser genommen, und die Korngrößenverteilung wurde anhand der Volumenverteilung berechnet. Die Vergrößerung der Rasterelektronenmikroskopaufnahme wurde auf eine Vergrößerung eingestellt, bei der 50 oder mehr Körner erfasst wurden. Dann wurde der mittlere Partikeldurchmesser (D50) bestimmt und als der mittlere Partikeldurchmesser des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets genommen.
  • (Beispiele 1 bis 8, Vergleichsbeispiele 2 und 3)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass für die Zusammensetzung des Verbundoxids, das die Hauptkomponente des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets war, die Formel (1) eingestellt wurde, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt.
  • Im Folgenden wurden die Rohmaterialien gemäß der Zusammensetzungsformel ordnungsgemäß verwendet. Pulver aus Na2CO3 (Natriumcarbonat), K2CO3 (Kaliumcarbonat), Li2CO3 (Lithiumcarbonat), Nb2O5 (Nioboxid), Ta2O5 (Tantaloxid), SrCO3 (Strontiumcarbonat), ZrO2 (Zirkoniumoxid) und BaCO3 (Zirkoniumoxid) wurden bereitgestellt. Außerdem wurden Pulver aus CuO (Kupferoxid) und MnCO3 (Mangancarbonat) als die Rohmaterialien der Unterkomponente hergestellt.
  • (Beispiel 9)
  • Das piezoelektrische keramische Sputtertarget 1, wie in 1 gezeigt, wurde durch die folgenden Schritte hergestellt. Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (2) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,381Na0,571Sr0,048)0,975NbO3 (2)
  • (Beispiel 10)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (3) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,381Na0,571Li0,048)0,975NbO3 (3)
  • (Beispiel 11)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (4) erhalten wurde, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,362Na0,542Li0,048Sr0,048)0,975NbO3 (4)
  • (Beispiel 12)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (5) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,400Na0,600)0,975(Nb0,900Ta0,100)O3 (5)
  • (Beispiel 13)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (6) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,400Na0,600)0,975(Nb0,952Zr0,048)O3 (6)
  • (Beispiel 14)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (7) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,400Na0,600)0,975(Nb0,857Ta0,095Zr0,048)O3 (7)
  • (Beispiel 15)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (8) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,359Na0,540Li0,048Ba0,005Sr0,048)0,975(Nb0,857Ta0,095Zr0,048)O3 (8)
  • (Beispiel 16)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (9) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,359Na0,540Li0,048Ba0,005Sr0,048)0,975(Nb0,857Ta0,095Zr0,048)O3 + CuO 0,5-Masse-% (9)
  • (Beispiel 17)
  • Das Herstellungsverfahren und das Evaluierungsverfahren waren die gleichen wie jene im Vergleichsbeispiel 1, außer dass die Rohmaterialien jeweils gewogen wurden, so dass eine finale Zusammensetzung der folgenden Formel (10) erhalten wurde, nachdem die Rohmaterialien ausreichend getrocknet wurden, und die Heizrate während des Sinterprozesses wurde wie in Tabelle 1 gezeigt eingestellt. (K0,359Na0,540Li0,048Ba0,005Sr0,048)0,975(Nb0,857Ta0,095Zr0,048)O3 + MnCO3 0,5-Masse-% (10)
  • Die Messergebnisse werden unten anhand Tabelle 1 beschrieben.
  • Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungsformel, die Heizrate während des Sinterprozesses, den mittleren Partikeldurchmesser des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets und die Partikeldichte für die Beispiele 1 bis 17 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 3.
  • Außerdem trat in Tabelle 1, wenn die Partikeldichte 11,0 × 103/m2 oder mehr betrug regelmäßig ein Stehspannungsfehler auf, der als nicht wünschenswert bestimmt wurde, die Bestimmung war ”x”. Wenn die Partikeldichte 9,0 × 103/m2 oder mehr und weniger als 11,0 × 103/m2 betrug, wurde bestimmt, dass es ein bevorzugter Film ist und die Bestimmung war ”Δ”. Wenn die Partikeldichte 7,0 × 103/m2 oder mehr und weniger als 9,0 × 103/m2 betrug, wurde bestimmt, dass es ein besonders bevorzugter Film ist, und die Bestimmung war ”o”. Wenn die Partikeldichte 7,0 × 103/m2 betrug, wurde bestimmt, dass es ein weiterer besonders bevorzugter Film ist, und die Bestimmung war ”⌾”. [Tabelle 1]
    Zusammensetzungsformel Heizrate (°C/h) Mittlerer Partikeldurchmesser (μm) Partikeldichte (103/m2) Bestimmung
    Vergleichsbeispiel 1 (1) 200 2,8 11,3 x
    Beispiel 1 (1) 100 3,1 9,2 Δ
    Beispiel 2 (1) 90 4,2 7,1 o
    Beispiel 3 (1) 80 5,2 6,7 ⌾
    Beispiel 4 (1) 70 7,6 3,5 ⌾
    Beispiel 5 (1) 60 9,9 4,6 ⌾
    Beispiel 6 (1) 50 14,8 6,6 ⌾
    Beispiel 7 (1) 40 19,8 8,7 o
    Beispiel 8 (1) 30 29,9 9,9 Δ
    Vergleichsbeispiel 2 (1) 20 32,6 11,0 x
    Vergleichsbeispiel 3 (1) 10 42,6 12,3 x
    Beispiel 9 (2) 100 4,4 8,5 o
    Beispiel 10 (3) 100 4,6 8,2 o
    Beispiel 11 (4) 100 5,1 6,8 ⌾
    Beispiel 12 (5) 100 4,8 8,1 o
    Beispiel 13 (6) 100 4,9 8,0 o
    Beispiel 14 (7) 100 5,2 6,6 ⌾
    Beispiel 15 (8) 100 5,6 5,6 ⌾
    Beispiel 16 (9) 100 6,1 4,8 ⌾
    Beispiel 17 (10) 100 6,5 4,3 ⌾
  • Anhand dieser Ergebnisse war es möglich, die Partikeldichte des bleifreien piezoelektrischen Dünnfilms zu reduzieren, wenn ein bleifreier piezoelektrischer Dünnfilm unter Verwendung dieser piezoelektrischen keramischen Sputtertargets hergestellt wurde, in denen der mittlere Partikeldurchmesser so kontrolliert wurde, dass er größer als 3 μm und nicht größer als 30 μm war. Insbesondere konnte in den Beispielen, bei denen der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner im Bereich von größer als 4 μm und nicht größer als 20 μm lag, insbesondere im Bereich von größer als 5 μm und nicht größer als 15 μm, ein bemerkenswerter Reduktionseffekt der Partikelgröße beobachtet werden.
  • Da der durch das piezoelektrische keramische Sputtertarget der vorliegenden Erfindung hergestellte bleifreie piezoelektrische Dünnfilm durch Partikeladhäsion verursachte Defekte reduziert, ist es möglich, ein piezoelektrisches Dünnfilmelement mit niedriger Fehlerrate und hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen. Beispielsweise ist es auch für piezoelektrische Sensoren wie etwa Gierratensensoren, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren, Schwingungssensoren, Impulswellensensoren und dergleichen zusätzlich zu piezoelektrischen Aktuatoren oder Tintenstrahldruckern von Kopfbaugruppen von Festplattenlaufwerken nützlich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 2
    piezoelektrisches keramisches Sputtertarget
    100
    Substrat
    200
    untere Elektrode
    300
    bleifreier piezoelektrischer Dünnfilm
    400
    obere Elektrode
    1000
    piezoelektrisches Dünnfilmelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2000-336474 A [0009]

Claims (6)

  1. Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget umfassend ein Oxid vom Perowskit-Typ, dargestellt durch eine chemische Formel (I) von ABO3 als Hauptkomponente, wobei die Komponente A der chemischen Formel (I) mindestens K (Kalium) und/oder Na (Natrium) enthält, die Komponente B der chemischen Formel (I) mindestens Nb (Niob) enthält, das piezoelektrische keramische Sputtertarget aus mehreren Kristallkörnern besteht, und der mittlere Partikeldurchmesser der Kristallkörner größer als 3 μm und nicht größer als 30 μm ist.
  2. Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget nach Anspruch 1, wobei die Komponente A weiterhin Sr (Strontium) und/oder Li (Lithium) enthält.
  3. Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Komponente B weiterhin Ta (Tantal) und/oder Zr (Zirkonium) enthält.
  4. Piezoelektrisches keramisches Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Mn (Mangan) und/oder Cu (Kupfer) weiterhin als eine Unterkomponente enthalten sind/ist und die Unterkomponente in einer Menge von 1 Masse-% oder weniger enthalten ist, wenn Mn und Cu bezüglich MnO bzw. CuO berechnet werden.
  5. Bleifreier piezoelektrischer Dünnfilm, abgeschieden unter Verwendung des piezoelektrischen keramischen Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Piezoelektrisches Dünnfilmelement umfassend den bleifreien piezoelektrischen Dünnfilm nach Anspruch 5, eine untere Elektrode und eine obere Elektrode, die den bleifreien piezoelektrischen Dünnfilm einschließen.
DE102017106405.2A 2016-03-29 2017-03-24 Piezoelektrisches keramisches sputtertarget, bleifreier piezoelektrischer dünnfilm und piezoelektrisches dünnfilmelement unter verwendung der selbigen Pending DE102017106405A1 (de)

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