DE112010005432B4 - Piezoelektrisches dünnes Filmelement - Google Patents
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Abstract
Ein piezoelektrisches dünnes Filmelement, mindestens umfassend: ein Substrat (1); eine untere Elektrode (3), die auf einem Oxidfilm ausgebildet ist, der auf dem Substrat (1) ausgebildet ist; einen piezoelektrischen dünnen Film (4), der auf der unteren Elektrode (3) ausgebildet ist und der durch die allgemeine Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0,2, x + y + z = 1) dargestellt wird; und eine obere Elektrode (15), die auf dem Piezoelektrischen dünnen Film (4) ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische dünne Film (4) eine Kristallstruktur aufweist, die mindestens eines von einem pseudokubischen Kristallsystem, einem tetragonalen Kristallsystem und einem orthorhombischen Kristallsystem umfasst, die Kristallstruktur weist eine Mehrzahl von Kristallachsen auf, und der piezoelektrische dünne Film (4) ist so ausgelegt, dass zwei Achsen, die [001] Achse und die [111] Achse, bevorzugt orientiert sind und wobei die Summe eines Volumenanteils der (001) Komponente, die bevorzugt in Richtung der [001] Achse orientiertem Kristallkorn (7) entspricht, und eines Volumenanteils einer (111) Komponente, die bevorzugt in Richtung der [001] Achse orientiertem Kristallkorn (8) entspricht, als 100% definiert ist, der Volumenanteil der (001) Komponente in einem Bereich von 60% oder mehr und weniger als 99% liegt und der Volumenanteil der (111) Komponente in einem Bereich von mehr als 1% und 40% oder weniger liegt.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches dünnes Filmelement, welches Lithium-Kalium-Natrium-Niobat verwendet, und eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung.
- Stand der Technik
- Ein piezoelektrischer Körper wird verschiedenen Verwendungszwecken entsprechend zu verschiedenen piezoelektrischen Elementen verarbeitet, und wird verbreitet als ein Aktuator verwendet, um durch Anlegen von Spannungen Deformation zu erzeugen, und in umgekehrter Weise als eine funktionale elektronische Komponente, beispielsweise als ein Sensor für das Erzeugen von Spannung aus der Deformation eines piezoelektrischen Elementes. Ein bleibasiertes dielektrisches Material, das exzellente piezoelektrische Charakteristika aufweist, ist allgemein als der piezoelektrische Körper bekannt, der für den Verwendungszweck des Gebrauchs in dem Aktuator oder in dem Sensor eingesetzt wird. Insbesondere ein Pb(Zr1-xTix)O3-basiertes ferroelektrisches Perowskitmaterial, genannt PZT, war hierfür allgemein bekannt. Für gewöhnlich werden diese piezoelektrischen Materialien durch Sintern eines Oxides, das aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, erzeugt.
- Währenddessen ist in den letzten Jahren durch Berücksichtigung von Umweltaspekten die Entwicklung von piezoelektrischen Substanzen, die kein Blei enthalten, erwünscht, und die Entwicklung von Natrium-Kalium-Lithium-Niobat (allgemeine Formel: NaxKyLiz)NbO3 (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1), (ab hier LKNN genannt), etc, wurde vorangetrieben. Das LKNN hat piezoelektrische Charakteristika, die mit PZT übereinstimmen, und wird daher als ein vorherrschender Kandidat des bleifreien piezoelektrischen Materials erwartet. Es ist anzumerken, dass LKNN einen Kalium-Natrium-Niobat-(KNN)-Film beinhaltet.
- Währenddessen werden gegenwärtig eine Miniaturisierung und eine höhere Leistungsfähigkeit auch in dem piezoelektrischen Element benötigt, da Miniaturisierung und höhere Leistungsfähigkeit von elektronischen Komponenten aller Art vorangetrieben werden. Allerdings nähert sich in piezoelektrischen Materialien, die mit einem durch eine Sintermethode bezeichneten Herstellungsverfahren hergestellt werden, was eine herkömmlich ausgeführte Methode ist, wenn ihre Stärke dünner wird, insbesondere wenn die Stärke sich einer Stärke von ungefähr 10 μm annähert, diese Stärke der Größe eines das Material bildenden Kristallkorns an, und ein Einfluss durch Vermindern der Stärke des piezoelektrischen Materials kann nicht ignoriert werden. Dies beinhaltet das Problem, dass die Variation und die Verschlechterung der Eigenschaften beachtenswert ist, und um dieses Problem zu vermeiden, wurde in den letzten Jahren ein Herstellungsverfahren der piezoelektrischen Substanzen studiert, bei der eine Dünnfilmtechnik statt der Sintermethode angewendet wird.
- In den letzten Jahren wird ein piezoelektrischer dünner PZT Film, der durch eine RF-Sputtermethode gebildet wurde, als ein Aktuator für einen Kopf eines hochpräzisen Hochgeschwindigkeitstintenstrahlqdruckers oder eines kleindimensionierten und preiswerten Gyrosensors (zum Beispiel, siehe Patentdokument 1) zur praktischen Verwendung gebracht. Ferner wird auch das piezoelektrische Dünnfilmelement, das einen piezoelektrischen dünnen Film verwendet, der aus Lithium-Kalium-Natrium-Niobat hergestellt ist und kein Blei verwendet, vorgeschlagen (zum Beispiel, siehe Patentdokument 2).
- Patentdokument 3 offenbart ein piezoelektrisches Element, umfassend eine erste Elektrodenschicht, die auf einem Substrat bereitgestellt und aus einem Edelmetall hergestellt ist, der mindestens ein Additiv, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Ca, Sr, Ba, Al und Oxiden, davon zugesetzt ist, eine Orientierungssteuerungsschicht, die auf der ersten Elektrodenschicht bereitgestellt und aus einem kubischen oder tetragonalen Perovskit-Oxid hergestellt ist, das vorzugsweise entlang einer (100) oder (001)-Ebene orientiert ist, und eine piezoelektrische Schicht, die auf der Ausrichtungssteuerungsschicht bereitgestellt ist und aus einem rhomboedrischen oder tetragonalen Perovskit-Oxid hergestellt ist, das bevorzugt entlang einer (001)-Ebene orientiert ist.
- Patentdokument 4 offenbart ein piezoelektrisches Substrat aus einem Perovskit-Typ-Oxid, das durch eine allgemeine Formel ABO3 mit einer Laminatstruktur aus einer Einkristallstruktur oder eine uniaxiale Kristallstruktur, darstellbar als (Pb1-xMx)xm(ZryTi1-y)O3 (wobei M ein Element ist, ausgewählt aus La, Ca, Ba, Sr, Bi, Sb und W) und wobei offenbarungsgemäß die Laminatstruktur eine geschichtete erste Kristallphase mit einer Kristallstruktur, die ausgewählt ist aus: der tetragonalen Struktur, der rhomboedrischen Struktur, der pseudokubischen Struktur und der monoklinen Struktur, eine geschichtete zweite Kristallphase mit einer von der Kristallstruktur der ersten Kristallphase verschiedenen Kristallstruktur und eine Grenzschicht mit einer Kristallstruktur, die sich in der Dickenrichtung der Schicht graduell verändert, aufweist, die zwischen der ersten Kristallphase und der zweiten Kristallphase angeordnet ist.
- Patentdokument 5 offenbart einen epitaxialen Film und ein Erhitzen eines mit einer Sio2-Schicht mit einer Schichtdicke von 1,0 nm oder mehr bis 10 nm oder weniger an der Oberfläche des Substrates versehenen Si-Substrates.
- Patentdokument 6 offenbart eine piezoelektrische Substanz ein Substrat, eine Elektrode, die auf dem Substrat ausgebildet ist, und einen piezoelektrischen Film auf der Elektrode gebildet ist. Der piezoelektrische Film ist offenbarungsgemäß aus Kristallen gebildet, um eine Hauptphase (NaxKyLiz)NbO3 (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 <= z <= 0,1, x + y + z = 1) haben. Der piezoelektrische Film ist offenbarungsgemäß ein polykristalliner Dünnfilm, vorzugsweise orientiert entweder zu einer oder beiden von <001> und <110> Kristallachsen in der Normalrichtung zu der Substratoberfläche, und die Achsen seiner Kristalle, die zu jeder Kristallachse orientiert sind offenbarungsgemäß ebenfalls in derselben Richtung gebildet, in der Richtung in der Ebene des Substrats.
- Patentdokument 7 offenbart ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, das ein Substrat, eine untere Elektrode, einen piezoelektrischen Abschnitt und eine obere Elektrode aufweist, die sequentiell auf dem Substrat gebildet werden. Der piezoelektrische Abschnitt weist offenbarungsgemäß eine dielektrische Dünnschicht mit einer Alkali-Nioboxid-basierenden Perowskit-Struktur der allgemeinen Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 <= z < 1, x + y + z = 1) und eine hochspannungsfestes Dielektrikum auf, dessen dieelektrische Durchschlagsspannung größer ist als die der dielektrischen Dünnschicht.
- Stand der Technik Dokument
- Patentdokument
-
- (Patentdokument 1)
Japanisches Patent, offengelegte Publikation
JP H10-286 953 A DE 69818793 T2 - (Patentdokument 2)
Japanisches Patent, offengelegt Publikation No. 2007-19302 - (Patentdokument 3)
US 2003/0 222 947 A1 - (Patentdokument 4)
US 2009/0 320 256 A1 - (Patentdokument 5)
US 2010/0 052 113 A1 - (Patentdokument 6)
US 2008/0 303 377 A1 - (Patentdokument 7)
US 2007/0 024 162 A1 - Zusammenfassung der Erfindung
- Von der Erfindung zu lösende Aufgabe
- Wie oben beschrieben kann ein Kopf für einen hochpräzisen Hochgeschwindigkeitstintenstrahldrucker oder einen kleindimensionierten und preiswerten Gyrosensor mit geringer Umweltbelastung durch Bilden eines bleifreien piezoelektrischen dünnen Films als piezoelektrischen dünnen Film hergestellt werden. Als ein spezieller Kandidat dafür wurde ein grundlegendes Studium an einem dünneren Film aus Lithium-Kalium-Natrium-Niobat vorangetrieben.
- Allerdings wird bezüglich der Orientierung etc. des piezoelektrischen dünnen Films im Rahmen einer herkömmlichen Technik (zum Beispiel Patentdokument 2) keine detaillierte Untersuchung ausgeführt, und das piezoelektrische Dünnfilmelement, das eine hohe piezoelektrische Konstante zeigt, kann nicht stabil realisiert werden.
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches dünnes Filmelement bereitzustellen, welches in der Lage ist, die piezoelektrischen Charakteristika zu verbessern, und eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung.
- Möglichkeiten zum Lösen der Aufgabe
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein piezoelektrisches dünnes Filmelement bereitgestellt, welches auf einem Substrat mindestens eine untere Elektrode, einen piezoelektrischen dünnen Film, dargestellt durch die generelle Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0.2, x + y + z = 1), und einer oberen Elektrode, wobei von der unteren Elektrode und der oberen Elektrode wenigstens die untere Elektrode eine Kristallstruktur eines kubischen Kristallsystems, eines tetragonalen Kristallsystems, eines orthorhombischen Kristallsystems, eines hexagonalen Kristallsystems, eines monoklinen Kristallsystems, eines triklinen Kristallsystems, eines trigonales Kristallsystems, oder einen Zustand aufweist, in dem eines dieser Kristallsysteme existiert oder zwei oder mehr von diesen koexistieren, wobei Kristallachsen der Kristallstruktur bevorzugt zu einer spezifischen Achse von nicht mehr als zwei Achsen orientiert sind und einem Komponentenverhältnis von der (001) Komponente zu der (111) Komponente als Komponenten der Kristallachsen, wobei die Summe beider Komponenten als ein 100% definiert ist, ein Volumenanteil der (001) Komponente in einem Bereich von 60% oder mehr und 100% oder weniger ist und der Volumenanteil der (111) Komponente in einem Bereich von 0% oder mehr und 40% oder weniger ist.
- In diesem Fall ist insbesondere der Volumenanteil der (001) Komponente bevorzugt in einem Bereich von 70% oder mehr und 100% oder weniger, in dem der Grad der Kristallisation hoch wird, und der Volumenanteil der (111) Komponente ist bevorzugt in einem Bereich von 0% oder mehr und 30% oder weniger.
- Ferner sind die (001) Komponente und die (111) Komponente in einem Zustand der Koexistenz in dem piezoelektrischen dünnen Film, und der Volumenanteil der (111) Komponente ist größer als 1%.
- Ferner weist der piezoelektrische dünne Film bevorzugt eine Textur auf, welche sich aus Partikeln zusammensetzt, die eine kolumnare Struktur aufweisen.
- Ferner kann eine Kristalllage in einem Teil des piezoelektrischen Dünnfilms enthalten sein, ausgewählt aus einer kristallinen Lage aus ABO3, einer amorphen Lage aus ABO3, oder einer gemischten Lage, in der kristallines und amorphes von ABO3 gemischt sind.
- Wobei A eine Art oder mehrere Elemente ausgewählt aus Li, Na, K, La, Sr, Nd, Ba, und Bi ist, und B eine Art oder mehrere Elemente ausgewählt aus Zr, Ti, Mn, Mg, Nb, Sn, Sb, Ta, und In ist, und O Sauerstoff ist.
- Ferner kann der piezoelektrische dünne Film eine Spannung in einer parallelen Richtung zu einem Substrat aufweisen.
- Ferner kann die Spannung eine Spannung aufweisen ausgewählt aus einer Zugbelastung oder einem Druckbelastungszustand in der parallelen Richtung zu dem Substrat. Zusätzlich kann der piezoelektrische dünne Film in einem ungespannten Zustand vorliegen, der keine interne Belastung aufweist.
- Ferner kann der piezoelektrische dünne Film eine uneinheitliche Spannung in einer vertikalen oder parallelen Richtung oder in beiden Richtungen zu dem Substrat aufweisen.
- Ferner ist eine untere Elektrodenschicht bevorzugt eine Schicht, die Pt oder eine Legierung, die hauptsächlich aus Pt zusammengesetzt ist, beinhaltet oder weist eine Laminationsstruktur von diesen auf.
- Ferner kann die untere Elektrodenschicht eine Elektrodenschicht sein, die eine Laminationsstruktur aufweist, die eine Schicht eines Oxides von Ru, Ir und eine Verbindung mit einem Element beinhaltet, das in dem dünnen piezoelektrischen Film enthalten ist.
- Ferner ist eine obere Elektrodenschicht, bevorzugt eine Schicht, die Pt oder eine Legierung, die hauptsächlich aus Pt zusammengesetzt ist, beinhaltet oder hat eine Laminationsstruktur von diesen.
- Ferner kann die obere Elektrodenschicht eine Elektrodenschicht sein, die eine Laminationsstruktur aufweist, die eine Schicht eines Oxides von Ru, Ir und eine Verbindung mit einem Element, das in dem piezoelektrischen dünnen Film enthalten ist, beinhaltet.
- Ferner ist die untere Elektrodenschicht bevorzugt eine Elektrodenschicht aus einer einzelnen Schicht oder weist eine Laminationsstruktur auf, die bevorzugt in vertikaler Richtung zu dem Substrat in einer Kristallorientierung von dieser Schicht orientiert ist.
- Ferner kann eine Art als Substrat verwendet werden ausgewählt aus Si-Substrat, MgO-Substrat, ZnO-Substrat, SrTiO3-Substrat, SrRuO3 Substrat, Glassubstrat, Quarzglassubstrat, GaAs-Substrat, GaN-Substrate, Saphirsubstrat, Ge-Substrat, und rostfreiem Substrat. Insbesondere das Si-Substrat ist bevorzugt als Substrat.
- Außerdem wird ein piezoelektrisches dünnes Filmelement offenbart, welches auf einem Substrat einen piezoelektrischen Dünnfilmlaminationskörper aufweist, der mit einem piezoelektrischen dünnen Film ausgestattet ist, der durch die generelle Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0.2, x + y + z = 1) dargestellt wird, wobei der piezoelektrische dünne Film eine Kristallstruktur eines pseudokubischen Kristallsystems, eines tetragonalen Kristallsystems oder eines orthorhombischen Kristallsystems aufweist oder einen Zustand aufweist, in dem eines dieser Kristallsysteme existiert oder zwei oder mehr von diesen koexistieren, wobei Kristallachsen der Kristallstruktur bevorzugt zu einer spezifischen Achse von nicht mehr als zwei Achsen orientiert sind und in einem Komponentenverhältnis von der (001) Komponente zu der (111) Komponente als Komponenten der Kristallachsen, wobei die Summe beider Komponenten als 100% definiert ist. Ein Volumenanteil der (001) Komponente in einem Bereich von größer als 60% und kleiner als 100% ist und der Volumenanteil der (111) Komponente in einem Bereich von kleiner als 40% ist.
- Ferner kann eine Grundschicht zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen dünnen Film bereitgestellt sein. LaNiO3 und NaNbO3 können als die Grundschicht verwendet werden, und ein dünner Pt-Film bevorzugt orientiert nach (111) kann auch verwendet werden.
- Ferner wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung bereitgestellt, die ein piezoelektrisches dünnes Filmelement aufweist, und ein Spannungsanwendungsmittel oder ein Spannungsdetektionsmittel.
- Vorteil der Erfindung
- Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein piezoelektrisches dünnes Filmelement, das ausgezeichnete piezoelektrische Charakteristika aufweist, und eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung bereit gestellt werden.
- Kurze Beschreibung der Abbildungen
-
1 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen dünnen Filmelements aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung. -
2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Röntgenbeugungsdiagrammes eines 2θ/θ Scans in einem piezoelektrischen dünnen Filmelement aus Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. -
3 ist eine Ansicht, die eine Kristallstruktur eines piezoelektrischen dünnen KNN-Films aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. -
4 ist ein Anordnungsdiagramm eines Experiments in einer stereographischen Projektionsmessung des piezoelektrischen dünnen KNN-Films aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung. -
5 ist eine charakteristische Ansicht des piezoelektrischen dünnen KNN-Films aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung, wobei (a) ein Beispiel eines Messergebnisses der Abbildung des reziproken Raumes zeigt und (b) ein Beispiel einer Simulation der Abbildung des reziproken Raumes zeigt. -
6 ist eine charakteristische Ansicht des piezoelektrischen dünnen KNN-Films (KNN-1) aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung, wobei (a) ein Beispiel eines Messergebnisses eines Röntgendetektors mit einem zweidimensionalen positionssensitiven Drahtgitter zeigt und (b) ein reflektiertes Röntgenprofil, welches von (111) und (001) hervorgerufen wurde, zeigt, dass durch Integrationsberechnung entlang der x-Achse (110) Beugung erhalten wurde. -
7 ist eine charakteristische Ansicht des piezoelektrischen dünnen KNN-Films (KNN-2) gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung, wobei (a) ein Beispiel eines Messergebnisses eines Röntgendetektors mit einem zweidimensionalen positionssensitiven Drahtgitter zeigt, und (b) das reflektierte Röntgenprofil, welches von (111) und (001) hervorgerufen wurde, zeigt, welches durch Integrationsberechnung entlang der x-Achse in der (110) Beugung erhalten wurde. -
8 ist eine charakteristische Ansicht aus Beispiel 1, wobei (a) eine stereographische Projektionsansicht einer stereographischen Projektion zeigt, und (b) einen Graph zeigt, in dem die stereographische Projektionsansicht der stereographischen Projektion zu einer orthogonalen Koordinate umgewandelt ist. -
9 zeigt die stereographische Projektion aus Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung, wobei (a) ein Modell der stereographischen Projektion (110) mit (001) Orientierung als eine Referenz zeigt, und (b) ein Modell der stereographischen Projektion (110) mit (111) Orientierung als eine Referenz zeigt. -
10 ist eine Ansicht, die die Charakteristika des Röntgenbeugungsprofils aus Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei (a) ein Beispiel der Ausführung einer Näherungsanalyse an das Messergebnis des Röntgenbeugungsprofils, welches in6 und7 gezeigt wird, zeigt, und (b) ein Beispiel eines Analyseergebnisses eines Volumenanteils von (001) und (111) mit Berücksichtigung der integrierten Intensität zeigt, die durch Näherungsanalyse aus10(a) unter Berücksichtigung eines Korrekturkoeffizienten erhalten wurde. -
11 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen dünnen KNN-Filmelements aus Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Konzeptansicht des piezoelektrischen dünnen KNN-Films als hochgradig orientierter Film ist, und (b) eine Konzeptansicht ist, die einen Zustand zeigt, bei dem in dem piezoelektrischen dünnen KNN-Film mit hochgradiger Orientierung die Kristallkörner zu einem Substrat geneigt sind. -
12 zeigt eine Korrelationsansicht zwischen einer Filmbildungstemperatur beim Formen des piezoelektrischen dünnen KNN-Films durch Sputtern und einer Integrationsintensität, die durch (111) und (001) bevorzugte Orientierung hervorgerufen wurde. -
13 ist eine Ansicht, die eine Änderung der Orientierungskomponente (001) und der Orientierungskomponente (111) unter Berücksichtigung der Filmbildungstemperatur beim Bilden des piezoelektrischen dünnen KNN-Films aus Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beim Sputtern zeigt. -
14 ist eine Ansicht, die eine Änderung einer internen Spannung unter Berücksichtigung der Filmbildungstemperatur beim Bilden des piezoelektrischen dünnen KNN-Films aus Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung beim Sputtern zeigt. -
15 ist eine Sektionsansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem jeder bevorzugt orientierter Kristallkorn einen konstanten Neigungswinkel aufweist, unter Berücksichtigung des Substrates des piezoelektrischen dünnen KNN-Films, in dem bevorzugte Orientierungen koexistieren, welche (001) und (111) bevorzugte Orientierungen aus Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung sind. -
16 ist eine Korrelationsansicht zwischen (111)-hervorgerufener integrierter Intensität und einer piezoelektrischen Konstante des piezoelektrischen dünnen Films, in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement, welches den piezoelektrischen dünnen Film gemäß Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung verwendet. -
17 ist eine Korrelationsansicht zwischen Volumenanteil und der piezoelektrischen Konstante der Orientierungskomponente (111) des piezoelektrischen dünnen Filmes, in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement, welches den piezoelektrischen dünnen Film gemäß Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung verwendet. -
18 ist eine Korrelationsansicht zwischen dem Volumenanteil und der piezoelektrischen Konstante der Orientierungskomponente (001) des piezoelektrischen dünnen Filmes, in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement, welches den piezoelektrischen dünnen Film gemäß Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung verwendet. -
19 ist ein schematisches Blockdiagramm einer RF-Sputtervorrichtung für die Herstellung des piezoelektrischen dünnen Filmelements unter Verwendung des piezoelektrischen dünnen Films aus Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung. -
20 ist eine Korrelationsansicht zwischen dem Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente des piezoelektrischen dünnen Filmes und einer Änderung der piezoelektrischen Konstante in einer Waferoberfläche in dem Substrat (Wafer) mit piezoelektrischem dünnen Film unter Verwendung des piezoelektrischen dünnen Films aus Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung. -
21 ist ein schematisches Blockdiagramm einer piezoelektrischen dünnen Filmvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
22 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Filtervorrichtung, welche den piezoelektrischen dünnen Film der vorliegenden Erfindung verwendet. - Modi zur Ausführung der Erfindung
- Nachfolgend werden Ausführungsformen eines piezoelektrischen dünnen Filmelements gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- [Darstellung der Ausführungsformen]
- Erfinder der vorliegenden Erfindung wissen, dass in einem bleifrei-basierten piezoelektrischen dünnen Film, der ein Basisbestandteil eines piezoelektrischen Elements ist, ein piezoelektrisches dünnes Filmelement und eine piezoelektrische Vorrichtung, die eine hohe piezoelektrische Konstante zeigt, durch quantitatives und präzises Kontrollieren einer Kristallorientierung realisiert werden können, die durch eine konventionelle Technik nicht untersucht wird.
- Die hohe piezoelektrische Konstante kann nicht erhalten werden, wenn nicht die Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films gesteuert und kontrolliert wird, und die piezoelektrische Konstante ist in einem Element nicht angeglichen, aufgrund unterschiedlicher Kristallorientierungen, die von einem Filmbildungsteil abhängen.
- Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein piezoelektrisches dünnes Filmelement mit exzellenten piezoelektrischen Charakteristika und ein Herstellungsverfahren desselben durch geeignetes Auswählen einer Elektrode, eines piezoelektrischen dünnen Filmes, etc., welches Zusammensetzungselemente sind, und durch Kontrollieren einer Filmbildungsbedingung, beispielsweise einer Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen dünnen Filmes, und Definieren eines Volumenanteils (Komponentenverhältnis der Kristallorientierung) der bevorzugt orientierten (001) und (111) Komponenten der Kristallachsen des piezoelektrischen dünnen Filmes realisiert werden.
- [eine Basisstruktur des piezoelektrischen dünnen Filmelements]
- Das piezoelektrische dünne Filmelement gemäß dieser Ausführungsform hat eine Laminationsstruktur, die sich zusammensetzt aus einem Substrat, einem Oxidfilm, der an einer Oberfläche des Substrats gebildet ist; einer unteren Elektrodenschicht, die an dem Oxidfilm gebildet ist; einem piezoelektrischen dünnen Film, die an der unteren Elektrode gebildet ist; und einer daran gebildeten oberen Elektrodenschicht.
- Dieser piezoelektrische dünne Film ist hergestellt aus einem ABO3-Typ Oxid, das eine Perowskitstruktur aufweist, wobei in seiner Zusammensetzung A eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus Li, Na, K, Pb, La, Sr, Nd, Ba, und Bi ist, B eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus Zr, Ti, Mn, Mg, Nb, Sn, Sb, Ta, und In ist, und O Sauerstoff ist.
- Als Substrat wird eine Art von Substraten verwendet ausgewählt aus einem Si-Substrat, einem MgO-Substrat, einem ZnO-Substrat, einem SrTiO3-Substrat, einem SrRuO3-Substrat, einem Glassubstrat, einem Quarzglassubstrat, einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat, einem Saphirsubstrat, einem Ge-Substrat und rostfreiem Substrat. Insbesondere ein preisgünstiges und industriell erprobtes Si-Substrat ist bevorzugt.
- Als der Oxidfilm, der an der Oberfläche von dem Substrat gebildet ist, kann ein thermaler Oxidfilm verwendet werden, der durch thermale Oxidation gebildet wird, und ein Si-Oxidfilm, der durch CVD (Chemische Dampfablagerung), etc. gebildet wird. Es ist anzumerken, dass ohne Bildung des Oxidfilms die untere Elektrodenschicht beispielsweise eine Pt-Elektrode direkt auf dem Oxidsubstrat beispielsweise Quarzglas(beispielsweise SiO2-, MgO-, SrTiO3- und SrRuO3-Substraten, gebildet werden kann).
- Die untere Elektrodenschicht ist bevorzugt eine Schicht, die Pt oder eine Legierung enthält, die hauptsächlich aus Pt besteht, oder hat eine Laminationsstruktur von diesen. Ferner ist in der unteren Elektrodenschicht die Orientierung bevorzugt in der (111)-Ebene gebildet und gebildete und eine Haftschicht zur Steigerung der Haftung an das Substrat kann zwischen dem Substrat und der Elektrodenschicht bereitgestellt werden, die aus Pt oder einer Legierung, die hauptsächlich aus Pt besteht, hergestellt ist. Der dünne Pt-Film, der nach der (111)-Ebene ausgerichtet ist, dient als eine Grundschicht des piezoelektrischen dünnen Filmes.
- Der piezoelektrische dünne Film ist bevorzugt der piezoelektrische dünne Film mit einem ABO3-Typ Oxid, namentlich einem Perowskit-Typ Oxid als eine Hauptphase, welche repräsentiert wird durch Kalium-Natrium-Niobat und Lithium-Kalium-Natrium-Niobat (ab hier LKNN genannt), das heißt, dargestellt durch die generelle Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 < X < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1). Der dünne LKNN-Film kann auch mit vorgegebener Menge von Ta und V dotiert werden. Der piezoelektrische dünne Film ist unter Verwendung einer RF-Sputtermethode, einer Ionenstrahlsputtermethode, oder der CVD-Methode hergestellt. In dieser Ausführungsform wird die RF-Sputtermethode verwendet.
- [Kontrolle der Kristallorientierung gemäß einer Ausführungsform]
- Eine detaillierte Analyse der Kristallorientierung des LKNN-Films und eine präzise Kontrolle, die auf dieser Analyse basiert, werden herkömmlicher Weise nicht durchgeführt. Das heißt, bezüglich der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films war bisher unklar, ob sie sich in einem ungeordneten Orientierungszustand befindet, oder ob nur eine Achse bevorzugt in einer vertikalen Richtung zu dem Si-Substrat orientiert ist, oder zu welchem Grad die speziellen beiden Achsen oder mehr Achsen bevorzugt orientiert sind. In anderen Worten, der piezoelektrische dünne Film wird auf der Basis eines qualitativen Einschätzungergebnisses hergestellt, ohne eine präzise Quantifizierung auszuführen, um eine leichte Variation in der Kristallorientierung zu erfassen, was einer der bestimmenden Faktoren für die Charakteristika des piezoelektrischen dünnen Films ist. Daher kann die erwünscht hohe piezoelektrische Konstante nicht mit guter Reproduzierbarkeit erreicht werden.
- Den LKNN-Film betreffend, der sich in diesem bevorzugten Orientierungszustand (001) befindet, sind genau genommen seine piezoelektrischen Charakteristika für jeden Filmformungspunkt oder jede Produktionscharge unterschiedlich. Das ist der Fall, da es schwierig ist, die Orientierung in jeder Kristalloberfläche streng zu kontrollieren und zu bewirken, dass ein Kristallwachstum stattfindet. Da (110)-, (111)-, und (210)-Orientierungen, die (001)-Orientierung eingeschlossen, nicht im Detail analysiert worden sind.
- Beispielsweise werden eine Vielzahl von Sputterkörnern in einer konstanten Richtung zwangsweise durch einen Einschlag von energieangeregten Elementen, wie beispielsweise Ar-Ion, auf das Substrat getrieben, indem die elektrische Leistung während der Filmbildung durch Sputtern erhöht wird, und als ein Ergebnis wird der piezoelektrische dünne Film gebildet, der polykristalline Körner aufweist, die größtenteils in einer Normallinienrichtung an der Substratoberfläche geneigt sind. Gleichzeitig ist es möglich, durch eine herkömmliche Röntgenbeugungsmethode, die ein allgemein bekannter 2θ/θ Scan genannt wird, den Zustand beizubehalten, bei dem die Kristallorientierung sich bevorzugt ungefähr in der (001) Orientierung befindet. Allerdings ist bei dieser Messung eine Position einer Probe fixiert, was die Achse (θ) eines Beugungswinkels ausschließt, weshalb die tatsächliche Kristallorientierung nicht eingeschätzt werden kann. Als ein Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass ein Koexistenzzustand einer anderen Kristallorientierungskomponente unklar bleibt, und ein Messergebnis, welches die strenge Orientierung ausdrückt, kann nicht erhalten werden und daher kann die Verschlechterung der piezoelektrischen Charakteristika, die von der Struktur hervorgerufen wird, nicht erfasst werden und als ein Ergebnis kann keine weitere Verbesserung der piezoelektrischen Konstante und der stabilen Produktion des piezoelektrischen dünnen Filmes realisiert werden.
- Durch das oben beschriebene Wissen wurden die Kristallorientierungen des dünnen Pt-Filmes und des dünnen piezoelektrischen Filmes kontrolliert.
- [Kristallorientierung der unteren Elektrodenschicht]
- (Kristallorientierung des dünnen Pt-Filmes)
- Daher wurde zuerst eine Optimierung der Filmbildungstemperatur, des Filmbildungsgases, und des Vakuumgrades durchgeführt, um die Kristallorientierung des LKNN-Films streng zu steuern und zu kontrollieren, um die Kristallinität des dünnen Pt-Films der unteren Elektrode, welche eine anfängliche Kristallwachstumsoberfläche des piezoelektrischen dünnen Films ist, stabil zu realisieren. Zuerst wurde, als eine Filmbildungsbedingung, die Filmbildungstemperatur untersucht, und es wurde festgestellt, dass der Filmbildungsbereich von 100 bis 500°C die Voraussetzung für das Einstellen der (111) bevorzugten Orientierung als ein Bereich einer optimalen Temperatur darstellte. Ar Gas, ein gemischtes Gas aus Ar und O2, oder ein gemischtes Gas aus mindestens einem ausgewählt aus He oder Ne oder Kr oder N2 wird als ein Filmbildungsgas verwendet.
- Ferner kann durch Bildung einer Ti Schicht mit einer glatten Oberfläche, die eine Dicke 0.1 bis zu einigen Nanometern aufweist, und durch Bildung der Pt Elektrode daran, eine Oberflächenrauheit der unteren Pt Elektrode zu einer Größe von einigen nm reduziert und kontrolliert werden, um die Glattheit eine Pt-Oberfläche weiter zu verbessern.
- Ferner können durch präzises Kontrollieren der Filmdicke der unteren Pt-Elektrodenschicht Oberflächenunregelmäßigkeiten der unteren Pt-Elektrodenschicht klein gehalten werden und die untere Pt-Elektrodenschicht, die eine polykristalline ist, kann durch Kontrollieren so gebildet werden, dass eine Größe des Kristallkorns einheitlich wird.
- Die untere Elektrodenschicht hat eine Struktur aus einer einzelnen Schicht, in der die Kristallorientierung bevorzugt in einer vertikalen Richtung in Bezug auf das Substrat orientiert ist, oder weist eine Laminationsstruktur auf. Die untere Elektrodenschicht kann eine Schicht nicht nur aus Pt, sondern auch aus einer Legierung, die hauptsächlich aus Pt besteht, sein oder sie kann ein dünner hauptsächlich aus Pt bestehender Film (dünner Pt-Film) sein, der eine Laminationsstruktur von diesen aufweist. Ferner kann die untere Elektrode auch eine Schicht aus Ru, Ir, Sn und In oder einem Oxid davon oder eine Verbindung mit Elementen beinhalten, die in dem piezoelektrischen dünnen Film enthalten sind. In einem solchen Fall kann auch auf gleiche Weise, wie im Fall des dünnen Pt-Films, durch Optimierung der Filmbildungstemperatur und des Filmbildungsgases die Kristallinität des dünnen unteren Elektrodenfilms, der auf dem dünnen LKNN basiert, stabil realisiert werden. Ein Zustand der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films wird in Abhängigkeit einer Herstellungsbedingung verändert. Ferner wird eine interne Belastung (Spannung) des piezoelektrischen dünnen Films verändert bei einer Druckbelastung oder einer Zugbelastung. Der piezoelektrische dünne Film ist manchmal in einem Zustand frei von Belastung, das heißt in einem Zustand ohne Spannung.
- Ferner sind als Kandidaten für das Substrat, das solche unteren dünnen Elektrodenfilme bildet, kristallines, amorphes Si, MgO, ZnO, SrTiO3, SrRuO3, Glas, Quarzglas, GaAs, GaN, Saphir, Ge, und Rostfrei, oder ein Komplex von diesen bevorzugt, und bezüglich des Elements mit der Haftschicht und der an solchen Substraten gebildeten unteren Elektrodenschicht und des daran gebildeten LKNN Films wurde die Kristallorientierung des LKNN Films im Detail verglichen, und es wurde eine Auswahl des Substrates durchgeführt, das in der Lage ist, die bevorzugte Orientierung streng zu kontrollieren.
- [Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films]
- Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Art des Sputtergases, den Druck des Gases, den Grad des Vacuums, die Anwendung des elektrischen Stroms und die Hitzebehandlung nach Filmbildung gemäß dieser Ausführungsform, um die bevorzugte Orientierung des LKNN Films, und bezüglich der Filmbildungstemperatur des LKNN Films selbst, sicher zu realisieren, Filmbildungsbedingungen des piezoelektrischen dünnen Films gefunden, der eine Kristallorientierung aufweist, die in der Lage sind, die piezoelektrischen Charakteristika zu verbessern, und durch Optimierung dieser Bedingungen wird die Verbesserung der piezoelektrischen Charakteristika erreicht. Diese Bedingungen betreffend können durch exaktes Untersuchen der Filmbildungsbedingungen, der Einschätzung, und einer Kontrollmethode, etc., für jede Vorrichtung oder unter verschiedenen Umgebungen der dünne LKNN-Film mit guter Reproduzierbarkeit gebildet werden, der ein pseudokubisches Kristall mit bevorzugter Orientierung von (001) und (111) oder eine bevorzugte Orientierung aufweist, bei der beide davon koexistieren.
- Als nächstes wird die Filmbildungstemperatur präzise eingestellt, um jederzeit konstant zu sein und die bevorzugte Orientierung des LKNN-Films selbst von polykristallin oder epitaxial gewachsenem Einzelkristall streng zu kontrollieren, beispielsweise so, dass die Orientierungskomponente (001) und die Orientierungskomponente (111) ein konstantes Verhältnis ergeben. Als Heizapparat bei der Filmbildung wird die Temperatur durch Benutzung einer Infrarotlampe oder thermische Leitung durch Heizen unter Verwendung eines Heizers durch eine Wärmetauscherplatte so eingestellt, dass sie in einem Bereich eines optimalen Komponentenverhältnisses der Kristallorientierung fällt.
- Ferner ist unter den zuvor genannten Bedingungen jede Art von Orientierungskomponente einschließlich der Orientierungen (001) und (111), was eine Kristallstruktur ist, durch Entscheiden, dass die Anwendung elektrischer Leistung beim Sputtern und der Druck und die Flussrate des Gases, das in den Filmbildungsapparat eingebracht wird, optimale Werte sind und durch Auswahl einer passenden Gasart streng kontrolliert. Dann ist es möglich, einen Effekt zu erwarten, dass der LKNN-Film, der eine hohe piezoelektrische Konstante zeigt, mit guter Reproduzierbarkeit stabil erhalten werden kann.
- Insbesondere wird die Sputterfilmbildung unter Verwendung des gemischten Gases aus Ar und O2 oder des gemischten Gases, in dem mindestens eines oder mehrere ausgewählt aus Inertgas aus Ar Gas oder He oder Ne oder Kr oder N2 gemischt sind, durch Plasma ausgeführt. Ein keramisches Target ausgedrückt durch (NaxKyLiz), wobei 0 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 1.0, 0 ≤ z ≤ 0.2, kann für die Filmbildung des piezoelektrischen dünnen LKNN-Films verwendet werden.
- Ferner kann ein ähnlicher Effekt durch Verändern der Dichte eines Sputtertargetmaterials in Abhängigkeit von der Situation erwartet werden.
- Ferner wurde, sogar nach der Filmbildung, die Hitzebehandlung in Sauerstoffatmosphäre oder Inertgasatmosphäre oder in dem gemischten Gas aus beidem von diesen oder in der Atmosphäre oder in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt.
- Der auf diese Weise erhaltene LKNN-Film hat eine Textur, die sich aus kolumnaren Kristallkörnern zusammensetzt. Ferner wird, wenn die untere Elektrodenschicht, die eine Orientierung in der (111) Oberfläche aufweist, sich bildet, die piezoelektrische dünne Filmschicht auf solche Weise gebildet, dass sie bevorzugt in einer vorgeschriebenen Richtung in Bezug zu der unteren Elektrodenschicht orientiert ist.
- Bevorzugt sind in der piezoelektrischen dünnen Filmschicht mindestens ein oder mehrere von den bevorzugt orientierten Kristallkörnern (001), den bevorzugt orientierten Kristallkörnern (110), und den bevorzugt orientierten Kristallkörnern (111) in einem Koexistenzzustand eingestellt. Durch Realisieren eines solchen Zustandes der Kristallorientierung ist eine Verbesserung der piezoelektrischen Charakteristika durch Kontrollieren einer internen Belastung möglich.
- Der piezoelektrische dünne Film, der das piezoelektrische dünne Filmelement aus Beispiel 1 bildet, weist eine Kristallstruktur aus einem pseudokubischen Kristall oder einem tetragonalen Kristall oder einem orthorhombischen Kristall auf oder weist einen Zustand, in dem mindestens eines oder mehrere von diesen koexistieren, auf, wobei er bevorzugt zu einer spezifischen Achse von nicht mehr als zwei Achsen orientiert ist und in einem Komponentenverhältnis von der (001) Komponente zu der (111) Komponente, Volumenanteil der (001) Komponente fällt in einen Bereich von 60% bis 100%, und der Volumenanteil der (111) Komponente fällt in einen Bereich von 0% bis 40%, in einem Fall, dass die Summe der Komponente (001) und der Komponente (
111 ) als 100% definiert ist. Mit dieser Struktur, mit einer solchen Struktur, ist es möglich zu verhindern, dass die Kristallorientierung ungeordnet wird oder die piezoelektrische Konstante durch Steigerung einer inneren Spannung vermindert wird (16 bis18 aus Beispiel 5). - Es ist möglich, einen Zustand einzustellen, in dem durch Kontrollieren der Filmbildungsbedingungen des piezoelektrischen dünnen Films, wie beispielsweise der Filmbildungstemperatur (
13 aus Beispiel 4), der Volumenanteil der (001) Komponente des zuvor erwähnten piezoelektrischen dünnen Films in einen Bereich von 60% bis 100% fällt oder der Volumenanteil von der (111) Komponente in einen Bereicht von 0% bis 40% fällt. - [Spannung des piezoelektrischen dünnen Films]
- Es ist möglich durch Kontrollieren des Komponentenverhältnisses (Volumenanteil) der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films, eine Spannung in einem Zugbelastungszustand in einer parallelen Richtung zu der Substratoberfläche bereitzustellen oder eine Spannung in einem Druckbelastungszustand in der parallelen Richtung zu der Substratoberfläche bereitzustellen. Durch Kontrollieren des Volumenanteils kann der piezoelektrische dünne Film in einen spannungsfreien Zustand versetzt werden, der keine interne Belastung aufweist. Ferner kann durch Kontrollieren des Volumenanteils der piezoelektrische dünne Film eine inhomogene Spannung in einer vertikalen Richtung oder in einer parallelen Richtung oder in beiden Richtungen zu der Substratoberfläche (
13 und14 aus Beispiel 4) aufweisen. - Durch Bildung der oberen Elektrodenschicht in einem oberen Teil der piezoelektrischen dünnen Filmschicht auf dem Substrat, das mit dem piezoelektrischen dünnen Film gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform ausgestattet ist, kann das piezoelektrische dünne Filmelement, welches eine hohe piezoelektrische Konstante zeigt, hergestellt werden und durch Formen dieses piezoelektrischen dünnen Filmelements in eine vorgegebene Form oder durch Bereitstellen eines Spannungsanwendungsteils und eines Spannungsdetektionsteils kann die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung, wie beispielsweise jede Art von Aktuator und Sensor, hergestellt werden (
21 ). - Ferner kann durch Bilden einer Musterelektrode
41 , die ein vorgegebenes Muster aufweist, auf einer oberen Schicht des piezoelektrischen dünnen Films auf dem Substrat, welches mit dem piezoelektrischen dünnen Film aus der zuvor genannten Ausführungsform (22 ) ausgestattet ist, eine Filtervorrichtung hergestellt werden, welche eine elastische Oberflächenwelle verwendet. - Es ist anzumerken, dass in der Filtervorrichtung, welche die elastische Oberflächenwelle verwendet, die untere Elektrode (dünner Pt-Film) hauptsächlich als eine Grundschicht funktioniert.
- Ähnlich wie die untere Elektrodenschicht ist die obere Elektrodenschicht, welche den oberen Teil des piezoelektrischen dünnen Films bildet, bevorzugt eine Elektrodenschicht aus Pt oder einer Legierung, die hauptsächlich aus Pt besteht, oder sie kann eine Elektrodenschicht aus Ru, Ir, Sn, In oder dem Oxid von diesen oder der Verbindung mit den Elementen, die in den piezoelektrischen dünnen Film enthalten sind, sein.
- [Vorteile der Ausführungsformen]
- Die gegenwärtige Erfindung hat einen oder mehrere Vorteile, wie nachfolgend angegeben werden wird.
- (1) Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat der piezoelektrische dünne LKNN Film eine Kristallstruktur eines pseudokubischen Kristalls oder eines tetragonalen Kristalls oder eines orthorhombischen Kristalls, oder er hat einen Zustand, in dem mindestens eines oder mehrere von diesen koexistieren, wobei er bevorzugt zu einer spezifischen Achse von nicht mehr als zwei Achsen ausgerichtet ist, und in einem Komponentenverhältnis von der (001) Komponente zu der (111) Komponente fällt der Volumenanteil der (001) Komponente in einen Bereich von 60% bis 100% und der Volumenanteil von (111) Komponente fällt in einen Bereich von 0% bis 40%, in einem Fall, dass die Summe der Komponente (001) und der Komponente (111) als 100% gesetzt ist. Daher ist es möglich zu verhindern, dass die Kristallorientierung ungeordnet wird und zu verhindern, dass die piezoelektrische Konstante durch Erhöhung der internen Spannung vermindert wird.
- (2) Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die piezoelektrischen Charakteristika durch geeignetes Wählen des piezoelektrischen dünnen Films, der Elektrode, des Substrates, und der Haftschicht, und Optimierung der Filmbildungsbedingungen dieser Materialien, dann präzises Messen der Grade der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films, der auf diese Weise erhalten wurde, um exakte Quantifizierung der Kristallorientierung auszuführen, somit streng eine Struktur auf Atomebene des piezoelektrischen dünnen Films kontrollierend, verbessert werden. Als Ergebnis kann eine piezoelektrische Hochleistungsdünnfilmvorrichtung realisiert werden und gleichzeitig kann eine Produktionsausbeute von dieser Vorrichtung verbessert werden.
- (3) Ferner liegen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kristallkörner, die bevorzugt in (001) orientiert sind, und die Kristallkörner, die bevorzugt in (111) orientiert sind, in einem Koexistenzzustand vor. Daher ist eine Verbesserung der piezoelektrischen Charakteristika durch Kontrollieren der internen Belastung möglich. Ferner kann das Filmabschälen durch Milder der Belastung unterdrückt werden, und dadurch ist die mechanische Stärke des piezoelektrischen dünnen Films verbessert, und der piezoelektrische dünne Film, der eine exzellente Einfachheit der Verarbeitung aufweist, kann bereitgestellt werden.
- (4) Ferner sind gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als die untere Elektrode des piezoelektrischen dünnen Filmelements durch Verwenden einer Pt Elektrode mit kontrollierter Kristallorientierung, oder einer Pt Legierung, oder Ru, Ir, und des Oxids von diesen, und der Verbindung mit den Elementen, die in den piezoelektrischen dünnen Film enthalten sind, eine hochpräzise Kontrolle der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films, der in dem oberen Teil gebildet ist, und die Verbesserung einer Umwelttoleranz als das Element möglich.
- (5) Ferner kann gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch Verwendung des MgO-Substrates, ZnO-Substrates, SrTiO3-Substrates, SrRuO3-Substrates, Glassubstrates, Quarzglassubstrates GaAs-Substrates, GaN-Substrates, Saphirsubstrates, Ge-Substrates, und rostfreien Substrates, anderen-als-Si-Substrates, als das Substrat die Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films, der daran gebildet wird, kontrolliert werden.
- (6) Gemäß einer oder mehrer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der piezoelektrische dünne Film, der exzellente piezoelektrische Charakteristika aufweist, realisiert werden und daher kann ein hochqualitatives piezoelektrisches dünnes Filmelement mit einer hohen Produktionsausbeute erhalten werden.
- (7) Ferner wird gemäß einer mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische dünne Filmelement bereitgestellt, welches einen dünnen Film beinhaltet, der kein Blei verwendet. Daher kann durch Einbauen dieses piezoelektrischen dünnen Filmelements eine Umweltbelastung reduziert werden und miniaturisierte Hochleistungsvorrichtungen, beispielsweise ein miniaturisierter Motor, Sensor, und Aktuator, zum Beispiel MEMS (Mikroelektromechanisches System), können realisiert werden.
- (8) Ferner wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in dem bleifrei-basierten piezoelektrischen dünnen Film, der in einem Basisteil des piezoelektrischen Elements verwendet wird, wenn der Aktuator und der Sensor unter Verwendung des Si-Substrates hergestellt sind, die Kristallorientierung quantitativ und präzise kontrolliert und gesteuert. Daher kann die bleifrei-basierte Vorrichtung, die eine lange Betriebsdauer aufweist und eine hohe piezoelektrische Konstante zeigt, stabil produziert werden. Die Kristallorientierung ist in dem Element auch nicht unterschiedlich in Abhängigkeit von einem Teil. Daher wird die piezoelektrische Konstante des piezoelektrischen Films, der an dem Substrat gebildet ist, einheitlich, und die Produktionsausbeute in der Herstellung kann verbessert werden.
- (9) Ferner kann gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung der piezoelektrischen Charakteristika durch Kontrollieren der Orientierung unter Verwendung von LKNN, etc., erreicht werden.
- (10) Ferner ist es gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, durch stabiles Kontrollieren der Kristallorientierung des piezoelektrischen dünnen Films eine Verbesserung und Stabilisierung des piezoelektrischen dünnen Filmelements oder der piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung zu realisieren. Daher kann eine Hochleistungsmikrovorrichtung zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden.
- (11) Ferner wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische dünne Filmelement und die piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung bereitgestellt, die exzellente piezoelektrische Charakteristika aufweisen, wobei eine Struktur auf atomarer Ebene des piezoelektrischen dünne Filmelements, beispielsweise LKNN, hochpräzise kontrolliert wird.
- (Beispiel 1)
- Als nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
- (Beispiel 1)
- Beispiele werden unter Verwendung von
1 bis8 beschrieben werden. -
1 ist eine Querschnittsansicht, die den Umriss des Substrates, das mit dem piezoelektrischen Film angegliedert ist, zeigt. In diesem Beispiel ist an einem Si-Substrat1 , das einen Oxidfilm aufweist, eine Haftschicht2 gebildet, und das piezoelektrische dünne Filmelement mit einer unteren Elektrodenschicht3 und einer piezoelektrischen dünnen Filmschicht4 wird aus KNN hergestellt, welche eine Perovskitstruktur aufweist, die sequentiell auf dem oberen Teil dieser Haftschicht2 gebildet wurde. - Zu dieser Zeit weist die piezoelektrische dünne Filmschicht
4 das pseudokubische Kristall oder das tetragonale Kristall oder das orthorhombische Kristall auf, und sie kann einen Zustand aufweisen, in dem mindestens eines oder mehrere von diesen kristallines oder amorphes ABO3 aufweisen oder sie kann einen Zustand aufweisen, in dem beide von diesen gemischt sind. Hierbei ist A eine oder mehrere Arten der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Pb, La, Sr, Nd, Ba, und Bi, und B ist eine oder mehrere Arten der Elemente ausgewählt aus Zr, Ti, Mn, Mg, Nb, Sn, Sb, Ta, und In, und O ist Sauerstoff. Obwohl auch Pb als das piezoelektrische Material an Position A eingeschlossen sein kann, ist der piezoelektrische dünne Film, der kein Pb enthält, von einem Umweltaspekt her erwünscht. - Ferner kann als die untere Elektrodenschicht
3 ein dünner Pt-Film oder ein dünner Au-Film verwendet werden. Ferner kann eine Pt Legierung oder eine Legierung, die Ir und Ru beinhaltet, akzeptabel sein, und eine Laminationsstruktur von diesen kann akzeptabel sein. - Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen dünnen Filmelements beschrieben. Als erstes wird ein thermaler Oxdifilm auf der Oberfläche eines kreisförmigen Si-Substrates
1 von 10,16 cm gebildet, und eine untere Elektrode3 wird darauf gebildet. Es ist anzumerken, dass der thermale Oxidfilm mit einer Dicke, die auf 150 nm eingestellt ist, bereitgestellt wird. - Die untere Elektrodenschicht
3 ist aus einem Ti-Film mit einer Dicke von 2 nm, der als eine Haftschicht2 ausgebildet ist oder aus einem dünnen an dem Ti-Film als Elektrodenschicht gebildeten Pt- oder Au-Film, der eine Dicke von 100 nm aufweist zusammengesetzt. Diese Elektrodenschicht wurde unter Verwendung einer Sputtermethode gebildet. Ein Metalltarget wurde als Sputtertarget12 , gezeigt in19 , verwendet und eine Anwendung elektrischer Leistung beim Sputtern während der Filmbildung war auf 100 W eingestellt, und 100% Ar-Gas oder gemischtes O2-Gas, oder Gas, welches durch Mischen mindestens eines oder mehrerer Inertgase beispielsweise He oder Ne oder Kr oder N2 erhalten wurde, wird als Sputtergas verwendet. Ferner wurde eine Substrattemperatur während der Filmbildung auf 350°C eingestellt, und ein dünner Film, der ein polykristalliner dünner Film ist, welcher aus Pt und Au hergestellt war, wurde gebildet. - Als nächstes wurde auf dieser unteren Elektrodenschicht als die piezoelektrische dünne Filmschicht
4 der dünne KNN Film gebildet. Der dünne KNN Film wurde auch unter Verwendung der Sputtermethode gebildet. Das Substrat wurde während der Bildung des dünnen KNN Films geheizt, wobei die Temperatur auf einen Bereich von 400 bis 500°C eingestellt war, und die Sputterfilmbildung wurde ausgeführt durch 5:5 gemischtes Gas aus Ar und O2 oder einem gemischten Gas aus Inertgasen aus mindestens einem oder mehreren aus Ar, He oder Ne oder Kr oder N2, etc. Ferner wurde als Target ein keramisches Target dargestellt durch (NaxKyLiz)NbO3 wobei x = 0.5; y = 0.5; und z = 0, verwendet. Die Filmbildung wurde ausgeführt bis die Filmdicke 3 μm erreichte. Darüber hinaus wurde sogar nach der Filmbildung eine Hitzebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre oder einer Inertgasatmosphäre, oder in dem gemischten Gas aus beiden von diesen, oder in der Atmosphäre oder in einer Vakuumatmosphäre ausgeführt. Es ist anzumerken, dass ein Umwälzungsofen für das Sputtern verwendet wurde und der Abstand zwischen dem Substrat und dem Target (ab hier inter-TS Abstand genannt) war während des Sputterns auf 50 mm eingestellt. - Wenn ein Querschnittumriss des KNN Films, der auf diese Weise hergestellt wurde, durch Verwendung eines Elektronenscannmikroskops beobachtet wurde, wurde festgestellt, dass eine Textur in einer kolumnaren Struktur gebildet war. Als ein Ergebnis des Beobachtens der Kristallstruktur durch ein konventionelles Röntgendiffraktometer, wie im Röntgenbeugungsmuster (2θ/θ Scanmessung) von
2 gezeigt, wurde festgestellt, dass der dünne Film, der in der Oberfläche (111 ) vertikal zu dem Substrat orientiert ist, in dem dünnen Pt-Film von Beispiel 1 gebildet wurde, welcher durch Heizen des Substrates gebildet wurde. - Als ein Ergebnis des Formens des KNN Films auf dem Pt Film, der bevorzugt in der (111) Ebene orientiert ist, wurde festgestellt, dass der hergestellte dünne KNN Film ein polykristalliner dünner Film war, der eine Perowskit-Typ Kristallstruktur aufwies, die ein pseudokubisches Kristall, wie in
3 gezeigt, aufwies. Es können auch nur Beugungspeaks von (001), (002), und (003) bestätigt werden, wie anhand des Röntgenbeugunsmusters aus2 klargestellt wird. Daher kann abgeschätzt werden, dass der piezoelektrische dünne KNN Film im Wesentlichen bevorzugt in der (001) Oberfläche orientiert ist. - In diesem Beispiel 1 wurde, um die Orientierung des dünnen KNN Films im Detail präzise einzuschätzen, für den piezoelektrischen dünnen KNN Film, wobei die Kristallorientierung zwangsweise kontrolliert wurde, eine stereographische Projektion gemessen. Die stereographische Projektion ist eine Ansicht, in der eine Ausbreitung von einem Pol auf einer spezifischen Gitteroberfläche stereoskopisch projiziert ist, welches eine Analysemethode darstellt, die fähig ist, den Zustand einer polykristallinen Orientierung im Detail einzuschätzen.
- Eine Definition der bevorzugten Orientierung kann durch die Messung einer stereographischen Projektion klargestellt werden. Bezüglich einer polykristallinen Substanz (einschließlich eines dünnen Films), kann, wenn das individuelle Kristallkorn sich in einem Zustand von „bevorzugt orientiert” in einer bestimmten spezifischen Richtung befindet, eine lokale Verteilung von reflektierten Röntgenstrahlen, beispielsweise als punktförmiger oder ringförmiger Debyering unvermeidlicherweise bei einem bestimmten Abwinkelungsgrad bei der Messung der stereographischen Projektion diese Substanz festgestellt werden.
- Währenddessen können die punktförmigen oder ringförmigen reflektierten Röntgenstrahlen nicht in der stereographischen Projektion festgestellt werden, wenn jedes Kristallkorn dieser Substanz in einer beliebigen Richtung existiert, in anderen Worten, wenn das Kristallkorn in „ungeordneter Orientierung” existiert. Ob dieser piezoelektrische dünne Film bevorzugt orientiert ist oder nicht, wird in Abhängigkeit der Gegenwart/des Fehlens von solchen reflektierten Röntgenstrahlen bestimmt, und dies ist eine Definition des Vorhandenseins der bevorzugten Orientierung.
- In einer Strukturanalyse in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement aus diesem Beispiel 1, wurde „D8 DISCOVER with Hi Star, VANTEC2000(registered trademark)”, hergestellt von der Bruker AXS corporation, welches ein Röntgendiffraktometer mit hohem Ausstoß ist, an dem ein zweidimensionaler positionssensitiver Drahtgitterdetektor montiert war, der eine Röntgendetektionsfläche mit einer großen Fläche aufwies, verwendet. In diesem Beispiel wurde die stereographische Projektion mit (110) des dünnen KNN Films als eine Referenz gemessen.
-
4 ist ein Konzeptansicht einer Anordnung zum Messen der in diesem Beispiel ausgeführten stereographischen Projektion. Diese Methode wird Schulz-Reflexionsmethode genannt. In einer konventionellen Messung der stereographischen Projektion wird in vielen Fällen ein nulldimensionaler Röntgendetektor benutzt und daher müssen die in4 gezeigte χ(α) Achse und die Φ(β) Achse simultan gescannt werden, weshalb sie dem entsprechend eine lange Zeit in der Messung benötigen. Allerdings wird in diesem Beispiel ein großflächiger zweidimensionaler Detektor (D8 DISCOVER with Hi Star, VANTEC2000(registered trademark)) verwendet. Daher ist ein Zweiachsenscanning unter Verwendung eines nulldimensionalen Detektors fast unnötig, womit es ermöglicht wird, eine Messung in einer kurzen Zeit durchzuführen. Dementsprechend kann schnell ein großes Volumen an Analyseresultaten von der Kristallorientierung des dünnen KNN Films, erzeugt unter verschiedenen Bedingungen, erhalten werden und der piezoelektrische dünne KNN Film, der die Kristallstruktur dieses Beispiels aufweist, kann realisiert werden. -
5 zeigt das Analyseergebnis einer Weitwinkelröntgenaufzeichnung des reziproken Raums in dem piezoelektrischen dünnen Film aus Beispiel 1. Ein Röntgenbeugungswinkel, der 2θ/θ ist, wird auf der horizontalen Achse abgebildet, und die vertikale Achse ist die χ Achse in einer vertikalen Richtung bezüglich der (2θ/θ) Achse des Beugungswinkels, der in4 gezeigt ist. Ferner zeigt ein rechtsseitiger lateraler Balkengraph die Intensität der reflektierten Röntgenstrahlen durch monochromatische Schattierung und ist als Hilfslinie zu der Intensität der reflektierten Röntgenstrahlung auf dieser Kartierung angegeben. -
5a zeigt ein tatsächliches Analyseergebnis von KNN, und5b zeigt ein Ergebnis der reziproken Gitterpunktsimulation in dem dünnen KNN Film, der (001)/(111) Orientierungen aufweist, zum Vergleich. o bezeichnet Röntgenbeugung von dem (001) orientierten dünnen KNN Film und • bezeichnet die Röntgenbeugung von dem (111) orientieren dünnen KNN Film. Ein gegenwärtig benutztes Simulationsprogramm ist SMAP/for Cross Sectional XRD-RSM, das von Bruker AXS bereitgestellt wird. - Wie anhand des Vergleichs der beiden Abbildungen klargestellt wird, ist es möglich, zwei Beugungen aus der 110 Beugung in der (001) Orientierung und der (111) Orientierung von 15° bis 75°, mit χ = 45° als Zentrum in einem Winkel von 2θ/θ entsprechend 110 Beugungen bei ungefähr 32° zu bestätigen. Dieses Analyseergebnis legt die Koexistenz der (001) und der (111) Orientierungen in diesem piezoelektrischen dünnen Film nahe. Ein Röntgenbeugungsprofil in der Richtung der χ-Achse kann nicht ausschließlich durch eine normale Röntgenbeugungsmessung eines 2θ/θ Scans gemessen werden. Daher zeigt das Analyseergebnis in diesem Beispiel ein Beispiel des Herausfindens eines neuen Parameters aus strukturellen Parameter, der zu einer Verbesserung der Charakteristika des piezoelektrischen dünnen Films in Verbindung steht.
-
6 zeigt ein Messergebnis einer tatsächlichen Röntgenbeugung des piezoelektrischen dünnen Films nach Beispiel 1.6a zeigt die Röntgenbeugung von einer KNN-1 Probe, die in einem zweidimensionalen Röntgendetektor gemessen wurde, wobei die Muster aus schwarzen Punkten, die zu einem Bogen geformt sind, den Reflexionen der Röntgenbeugung entsprechen. Ferner entspricht die Richtung der Bogenbildung der χ-Achsenrichtung, und ein Pfeil in einer Normallinienrichtung in Bezug zu dem Bogen entspricht einer Richtung von 2θ/θ. Wenn die Röntgenbeugung bei ungefähr 32° von 2θ/θ fokussiert ist, kann beobachtet werden, dass sich Punkte von zwei reflektierten Röntgenstrahlen überlappen. Zu dieser Zeit wird festgestellt, dass die linksseitige Inversion die Reflexion der Röntgenstrahlung ist, die von der (111) Orientierung des KNN hervorgerufen wird, und die rechtsseitigen Punkte zeigen die Reflexion der Röntgenstrahlung, die von der (001) Orientierung des dünnen KNN Films hervorgerufen wird. - Jedes der reflektierten Röntgenspektren, die von den (001) und (111) Orientierungen hervorgerufen werden, kann durch Festlegen eines Bereichs integrierter Werte in einer fächerartigen Anordnung, basierend auf solchen Ergebnissen, zum Ausdruck gebracht werden. In diesem Beispiel wird die Integration über einen Bereich von 17.5° bis 72.5° auf der χ-Achse, und in einem Bereich von 31.4° bis 32.4° in der 2θ/θ Achsenrichtung durchgeführt.
-
6b zeigt das Ergebnis. Die horizontale Achse ist die χ-Achse, und die vertikale Achse zeigt die Röntgenbeugungsintensität, die durch die zuvor genannten Integrationsbedingungen erhalten wurde. Jedes der reflektierten Röntgenspektren, die von den (001) und (111) Orientierungen hervorgerufen werden, kann beobachtet werden. -
7 zeigt das Messergebnis einer tatsächlichen Röntgenbeugung dieses piezoelektrischen dünnen Films in dem dünnen KNN-2 Film der anderen Probe gemäß Beispiel 1. Auf gleiche Weise wie in6 können die Spektren, die von zwei Orientierungen hervorgerufen werden, beobachtet werden. Allerdings sind die Röntgenintensität, die von der (001) Orientierung hervorgerufen wird, und die Röntgenintensität, die von der (111) Orientierung hervorgerufen wird, anders als das Ergebnis, das in6 gezeigt wird, und insbesondere kann in einem Intensitätsverhältnis der Intensität, die von der (001) Orientierung hervorgerufen wird, und der Intensität, die von der (111) Orientierung hervorgerufen wird, ein klarer Unterschied beobachtet werden. - In diesem Beispiel sind, die Profile aus
6b und7b betreffend, eine Berechnung unter Verwendung einer Näherungsfunktion ausgeführt, und die reflektierte Röntgenintensität und ihr Verhältnis werden quantifiziert. -
8 zeigt ein Beispiel des Messergebnisses einer (110) stereographischen Projektion des piezoelektrischen dünnen Films gemäß des Beispiels 1. Hier wird wie in8a gezeigt, eine sich bewegende Radiusrichtung auf der χ(α) Achse festgesetzt und eine umlaufende Richtung wird auf der Φ(β) Achse festgesetzt. Auf der χ Achse wird, in der sich bewegenden Radiusrichtung, ein Debyering, entsprechend einer Beugungsoberfläche von (001), etwa 45° vom Zentrum beobachtet. Währendessen wird der Debyering, der der Beugungsoberfläche von (111) entspricht, um 35.3° beobachtet. Insbesondere wird festgestellt, dass jeder Debyering aus einer konzentrischen Anordnung verschoben ist, und leicht aus dem Zentrum verschoben ist. Als ein Ergebnis wird festgestellt, dass die reflektieren Röntgenstrahlen, die von der (001) Orientierung hervorgerufen werden und die von der (111) Orientierung hervorgerufenen sich gegenseitig in einem Bereich von ungefähr 0° bis 80°, und ungefähr 330° bis 360°, auf der Φ Achse in der umlaufenden Richtung gegenseitig überlappen. An diesem Punkt ist es extrem schwierig exakt die Intensität jeder Orientierungskomponente zu berechnen. - Dementsprechend, um dieses Problem zu lösen, muss eine Messposition, die in
4 gezeigt ist, in Betracht gezogen werden. Das heißt, die Position in einem in der Oberfläche rotierenden Winkel (hier der Φ Achse entsprechend) der Probe muss in Betracht gezogen werden. Ferner muss, für den Fall, dass eine optimale Φ Achse unklar ist, die Φ Achse, um die Reflexionsspektren, die von der (001) Orientierung hervorgerufen werden und die von der (111) Orientierung hervorgerufen werden, deutlich zu trennen, basierend auf den Messergebnissen der stereographischen Projektion bestimmt werden. Daher ist es wichtig, einen exzentrischen Zustand jedes Debyerings exakt zu erfassen, und den Winkel von der Φ Achse wo δ, entsprechend dem Winkel zwischen der (001) Orientierungsrichtung und der (111) Orientierungsrichtung, maximal ist, zu erhalten. - In diesem Beispiel wird, um dieses δ exakt zu erhalten, ein Graph eines Polarkoordinatensystems, mit der sich bewegenden Radiusrichtung als die χ(α) Achse eingestellt und der umlaufenden Richtung als die Φ(β) Achse eingestellt, der in der
8a gezeigt ist, zu einem Graph konvertiert, bei dem die horizontale Achse als die χ Achse und die vertikale Achse als die Φ Achse eingestellt sind.8b zeigt einen Graph von χ-Φ, der zu einem orthogonalen Koordinatensystem konvertiert ist. Basierend auf8b wird, das Röntgenreflexionsprofil an der Position der Φ Achse (gepunktete Linie in8b ) wo der Winkel von δ maximal wird betreffend, eine Berechnung der integrierten Intensität jeder Orientierungskomponente durchgeführt. Es ist anzumerken, dass die integrierte Intensität hier durch Spektrumnäherungsanalyse unter Verwendung einer Gaussfunktion, einer Lorenzfunktion, und einer Faltungsfunktion von diesen, beispielsweise einer Pseudo Voight Funktion und Pearsonfunktion, und einer Verteilungsfunktion, beispielsweise als Split Pseudo Voight Funktion, erhalten werden kann. - Wie obenstehend beschrieben wird gemäß Beispiel 1 festgestellt, dass, um die Intensität der Orientierungskomponente exakt zu berechnen, das Röntgenreflexionsprofil an der Position der Φ Achse betreffend, wo der Winkel von δ, der dem Winkel zwischen der (001) Orientierungsrichtung und der (111) Orientierungsrichtung entspricht, maximal wird, die Berechnung der Integrationsintensität jeder Orientierungskomponente durchgeführt wird.
- (Beispiel 2)
- Eine Erklärung wird unter Verwendung von
9 bis10 nachfolgend gegeben werden. - Als nächstes muss ein Korrekturwert jeder Röntgenbeugungsintensität untersucht werden, um exakt das Beugungsintensitätsverhältnis von der (001) Orientierungskomponente und der (111) Orientierungskomponente zu erhalten. Daher werden die stereographischen Projektionen von der (001) und der (111) untersucht.
-
9 zeigt die Simulationsergebnisse der stereographischen Projektionen.9a zeigt die Simulationsergebnisse der stereographischen Projektion mit (001) als der Pol. Wie in dieser Abbildung gezeigt, wird festgestellt, dass vier äquivalente Beugungen zu der (110) Beugung des KNN beitragen, der die (001) Orientierung aufweist. Zu dieser Zeit wird angenommen, dass ein Korrekturkoeffizient 4 ist. Währenddessen wird, in einem Fall, dass die (110) Beugung des KNN die (111) Orientierung aufweist, anhand des Ergebnisses der Simulation der stereographischen Projektion mit (111) aus9b als der Pol festgestellt, dass drei äquivalente Beugungen dazu beitragen, und daher wird angenommen, dass der Korrekturkoeffizient 3 ist. Dementsprechend ist ein tatsächliches Beugungsintensitätsverhältnis (001) zu (111) gleich 4 zu 3, wenn der Volumenanteil der (001) Orientierung und der (111) Orientierung 1 zu 1 ist, was aus der Berechnung der integrierten Intensität erhalten wird, die in Beispiel 1 beschrieben wird. - Als nächstes wird, den piezoelektrischen dünnen Film des KNN-1 und KNN-2 betreffend, der unter verschiedenen Herstellungsbedingungen gebildet wird, unter Verwendung der Messergebnisse aus
6 und7 gemäß des Beispiels 1, das Ergebnis des Analysierens des Orientierungskomponentenverhältnisses der (001) und (111) gezeigt. In10a wird die Näherungsfunktion auf das Profil der Röntgenbeugung, das in6b gezeigt ist, angewendet. Eine glatte Kurve zeigt die Pseudo Voight Funktion, die in diesem Beispiel als Näherungsfunktion verwendet wird. Es wird festgestellt, dass die (111) und (001) hervorgerufenen Beugungsprofile relativ miteinander übereinstimmen. Zu dieser Zeit werden eine Peakposition (die x Achse in diesem Beispiel), die integrierte Intensität und eine volle Breite am Halbmaximum (FWHM) von jedem Profil erhalten. Die Berechnung des Beugungsintensitätsverhältnisses ist hier ein Ziel, und daher ist die Integrationsintensität fokussiert.10b zeigt die Zusammenfassung des Analyseergebnisses. Den KNN-1 aus Beispiel 1 betreffend, war die integrierte Intensität, die (111) Orientierung betreffend, 298, und die integrierte Intensität der (001) Orientierung war 2282. - Währenddessen war, den KNN-2 betreffend, die erstere 241 und die letztere 2386. Die exakte Beugungsintensität jeder Orientierungskomponente kann durch Teilen des integrierten Kalkulationsergebnisses durch den zuvor genannten Korrekturkoeffizienten als der Korrekturwert der integrierten Intensität, der in
10b gezeigt ist, erhalten werden. Als ein Ergebnis ist der Volumenanteil des KNN-1 (001):(111) gleich 85%:15%, und der KNN-2 ist (001):(111) gleich 88%:12%, wenn das Orientierungskomponentenverhältnis der (001) und (111) analysiert wird, wobei die Summe der (001) Orientierungskomponente und der (111) Orientierungskomponente als 100% gesetzt ist, und es wurde klargestellt, dass das Orientierungskomponentenverhältnis zwischen den Proben unterschiedlich ist. - (Beispiel 3)
- Eine Erklärung unter Verwendung von
11 und19 wird nachfolgend gegeben werden. - Das Beispiel 1 betreffend haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht, einen bevorzugt orientierten KNN Film herzustellen. Seine sektionale schematische Ansicht wird in
11 als Beispiel 3 gezeigt. Ferner wird in19 eine Umrissansicht einer Hochfrequenzsputtervorrichtung zum Herstellen des dünnen KNN Films gezeigt. Dort ist das piezoelektrische dünne Filmelement bereitgestellt, wobei die untere Elektrodenschicht3 und die dünne piezoelektrische KNN Filmschicht4 , die eine Perowskitstruktur aufweisen, auf einem oberen Teil des Si Substrates1 , das einen Oxidfilm aufweist, auf dem die Haftschicht2 gebildet ist, gebildet werden. Ein piezoelektrischer dünner Polykristallfilm hat hier eine Textur, in welcher kolumnare Kristallkörner jeweils in einer näherungsweise konstanten Richtung angeordnet sind. - In diesem Beispiel 3 ist es möglich, wenn der piezoelektrische dünne KNN Film
4 gebildet wird, mit einer auf 100 W eingestellten Anwendung elektrischer Leistung, und in einem solchem Zustand, dass ein Zentrum eines Sputtertargets12 und ein Zentrum des Substrates1 aneinander ausgerichtet sind, wie in19 gezeigt, den piezoelektrischen dünnen Polykristallfilm in einem Zustand bereitzustellen, dass die Normallinie auf der (001) Kristalloberfläche nahezu entlang einer Richtung der Normallinie auf der Substratoberfläche (001) ausgerichtet ist. Die kolumnaren Kristallkörner5 wachsen hier in einer vertikalen Richtung zu dem Substrat. Zu dieser Zeit kann in der Messung der stereographischen Projektion durch eine stereographische Projektionsansicht (8a ) keine Exzentrizität bei den Debyeringen von (001) und (111) beobachtet werden, und die Debyeringe sind auf solche Weise abgebildet, dass sie konzentrisch angeordnet sind. Ferner kann, wenn die χ Achse und die Φ Achse der stereographischen Projektionsansicht zu dem Graph mit der x-y Achse, die als orthogonale Achse gesetzt ist (8b ), konvertiert sind, keine wellenformige Kurve beobachtet werden, und die wellenförmige Kurve ist in eine gradlinige Form umgewandelt. - Als nächstes wird in diesem Beispiel, wenn die Filmbildung ausgeführt wird, wobei die Anwendung elektrische Leistung auf 100 W eingestellt ist, und das Zentrum des Substrates
1 , gezeigt in19 , um ungefähr 10 mm vom Zentrum des Sputtertargets12 verlagert ist, bestätigt, dass die Normallinienrichtung auf der Kristalloberfläche der bevorzugt orientierten Kristallkörner leicht verlagert und geneigt ist. Zu dieser Zeit wachsen die kolumnaren Kristallkörner6 in einem solchen Zustand, dass sie zu der Normalrichtung auf der Substratoberfläche geneigt sind (11 b). Es ist anzumerken, dass ein Maß der Verlagerung zweckmäßigerweise durch eine verwendete Substratgröße und einen erwünschten Neigungswinkel bestimmt wird. In dieser Ausführungsform, die das Si Substrat von 10,16 cm verwendet, wurde das Maß an Verlagerung auf 10 mm eingestellt. - In der stereographischen Projektionsansicht der stereographischen Projektion dieses Beispiels werden zwei Debyeringe von (001) und (111) beobachtet, wobei das Maß an Verlagerung auf 10 mm eingestellt ist, ähnlich zu
8a , und ähnlich zu8b , wird festgestellt, dass jede Amplitude unterschiedlich ist. Das heißt, dies zeigt, dass ein Abweichungswinkel, welcher von jeder Kristalloberfläche aus (001) und (111) in Bezug auf das Substrat gebildet wird, unterschiedlich ist. Zu dieser Zeit war ein Analysewert der Amplitude von (001) 9.9°. Währenddessen war der Analysewert der Amplitude von (111) 0.52°. Als ein Ergebnis wird festgestellt, dass in dem piezoelektrischen dünnen Film der vorliegenden Erfindung die Kristallorientierungsrichtung von (001) in einem Winkel von ungefähr 5° geneigt ist, und die Kristallorientierungsrichtung von (111) in einem Winkel von ungefähr 0.3° geneigt ist, in Bezug zu der Normalrichtung der Substratoberfläche. - (Beispiel 4)
- Eine Erklärung wird nachfolgend unter Verwendung von
12 bis15 gegeben werden. - Als Beispiel 4 werden die Volumenanteile von der Orientierungskomponente von (001) und der Orientierungskomponente von (111) mit Absicht variiert und das Ergebnis hiervon wird gezeigt.
-
12 zeigt eine Veränderung der integrierten Intensität von den (111) hervorgerufenen und (001) hervorgerufenen Beugungen, in Abhängigkeit von einer Filmbildungstemperatur. Es wird festgestellt, dass die integrierte Intensität von der (001) hervorgerufenen Beugung mit einer Zunahme der Filmbildungstemperatur graduell reduziert wird. Währenddessen wird, die integrierte Intensität von der (111) hervorgerufenen Beugung betreffend, festgestellt, dass die Filmbildungstemperatur mit dem Anstieg der Filmbildungstemperatur graduell ansteigt. Als nächstes wird unter Verwendung solcher Ergebnisse die Abhängigkeit der Filmbildungstemperatur von dem Volumenanteil unter Berücksichtigung der Korrekturkoeffizienten, die in Beispiel 2 gezeigt sind, untersucht. -
13 zeigt die Veränderung der Volumenanteile der (111) und (001) Orientierungskomponenten in Abhängigkeit von der Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen dünnen KNN Films während der Filmbildung durch Sputtern. Wie in dieser Abbildung gezeigt, ist der Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente in einem Bereich der Filmbildungstemperatur von 550°C bis 660°C fast null. Allerdings wird festgestellt, dass, wenn die Filmbildungstemperatur 650°C übersteigt, der Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente mit dem Anstieg der Filmbildungstemperatur ansteigt. - Währenddessen bleibt die Variation des Volumenanteils der (001) Orientierungskomponente in Abhängigkeit von der Filmbildungstemperatur fast bei 100%, wenn die (001) Orientierungskomponente in einem Bereich von 550°C bis 650°C ist, und es wird festgestellt, dass nur die (001) Ebene substantiell in einem einzigen Orientierungszustand vorliegt. Ferner wird festgestellt, dass, wenn die Filmbildungstemperatur 650°C übersteigt, der Volumenanteil der (001) Orientierungskomponente mit dem Anstieg der Filmbildungstemperatur graduell abnimmt. Dieses Beispiel zeigt, dass allein durch eine Änderung der Filmbildungstemperatur, das Verhältnis der (111) Orientierungskomponente und der (001) Orientierungskomponente kontrolliert werden kann.
- Ferner zeigt
14 die Variation einer internen Belastung (Spannung), die von der Filmbildungstemperatur des piezoelektrischen dünnen KNN Films verursacht wird, welche während der Filmbildung durch Sputtern verursacht wird. Es wird festgestellt, dass mit dem Anstieg der Filmbildungstemperatur eine Druckbelastung vermindert wird, und ein Zustand zu einem spannungsfreien Zustand ohne Belastung verändert wird. Wenn die Filmbildungstemperatur von 700°C auf 750°C erhöht wird, wird festgestellt, dass der Zustand von dem substantiell spannungsfreien Zustand zu einem Zustand leichter Zugbelastung verändert wird. Ferner kann Pa als ein Beispiel einer Einheit der internen Belastung in diesem Beispiel gegeben werden. - Wie bei einem Vergleich mit
13 klargestellt wird, zeigt14 , dass die Druckbelastung mit der Zunahme des Volumenanteils von (111) vermindert wird. Das heißt, das zeigt, dass mit der Zunahme des (111) Orientierungskomponentenverhältnisses des piezoelektrischen dünne KNN Films eine Milderung der internen Belastung dieses piezoelektrischen dünnen Films realisiert werden kann. Als ein Ergebnis kann die interne Belastung des piezoelektrischen dünnen Films durch präzises Kontrollieren des Komponentenverhältnisses (Volumenanteils) der Kristallorientierung kontrolliert werden. Ferner hat der piezoelektrische dünne Film den Volumenanteil der (111) Komponente. Daher kann die Belastung des piezoelektrischen dünnen Films entspannt und das Abschälen des Films verhindert werden. Daher ist die mechanische Stärke des piezoelektrischen dünnen Films verbessert und der piezoelektrische dünne Film, der exzellente Verarbeitbarkeit aufweist, kann bereitgestellt werden. -
15 zeigt eine schematische Sektionsansicht als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die (001) bevorzugt orientierte Kristallkörner ([001] Achsenorientierung)7 , und (111) bevorzugt orientierte Kristallkörner ([111] Achsenorientierung)8 in einem Koexistenzzustand vorliegen. Durch Realisieren eines Zustandes der Kristallorientierung, der in15 gezeigt ist, können die piezoelektrischen Charakteristika durch Kontrollieren der internen Belastung verbessert werden. Weithin kann durch Minderung der Belastung das Filmabschälen unterdrückt werden. Daher kann eine mechanische Stärke des piezoelektrischen dünnen Films verbessert werden, und der piezoelektrische dünne Film, der einfach verarbeitet werden kann, kann bereitgestellt werden. - Wenn die Ertragsrate des Elements bestätigt wird, welches aus einer Vielzahl von Substraten von 10,16 cm erhalten wurde, wird festgestellt, dass die Ertragsrate im Fall des Elementes, das von dem Substrat, welches mit dem piezoelektrischen dünnen Film mit einer (111) Komponente, die geringer als 1% ist, ausgestattet ist, geringer als 70% ist, und währenddessen übersteigt die Ertragsrate 90% in einem Fall des Elements, das von dem Substrat, welches mit dem piezoelektrischen dünnen Film mit der (111) Komponente, die 1% übersteigt, ausgestattet ist, erhalten wurde.
- Als ein Ergebnis der Untersuchung durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass das zuvor genannte Ergebnis wahrscheinlich durch die Veränderung der piezoelektrischen Konstanten in der Waferebene verursacht wird. Tabelle 1 und
20 zeigen die Ergebnisse des Bestätigens eines Zusammenhanges zwischen dem Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente und der Variation auf (%) der piezoelektrischen Konstanten in der Waferebene.20 zeigt die Variation der piezoelektrischen Konstanten in der Waferebene. Es wird festgestellt, dass es an einem Punkt, wo der Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente ungefähr 1% ist, keinen Anstieg der Veränderung gibt, und dass die Veränderung an diesem Punkt im Wesentlichen unveränderlich ist. Die Veränderung der piezoelektrischen Konstanten, die hier gezeigt wird, ist eine relative Standardabweichung, die durch Teilen der Standardabweichung der piezoelektrischen Konstante, die in der Waferebene von 10,16 cm gemessen wurde, durch einen Durchschnittwert von dieser. Zu dieser Zeit war der Wert, der auf diese Weise erhalten wurde, ungefähr 23%. Allerdings ist die Veränderung in einem Bereich von 15.3% bis 27.1% wenn der (111) Volumenanteil bei ungefähr 0.2% ist und es wird festgestellt, dass sogar im Falle eines gleichen (111) Volumenanteils ein Unterschied innerhalb von Veränderungsswerten für jeden Wafer groß ist, was eine Reduzierung der Ertragsrate verursacht. [Tabelle 1]Probe (111) Volumenanteil (%) Variation der piezoelektrischen Konstanten (%) Probe 1 3.6 21.4 Probe 2 3.3 24.5 Probe 3 9.9 9.3 Probe 4 12.6 9.4 Probe 5 0.1 27.1 Probe 6 0.1 25.6 Probe 7 0.1 23.9 Probe 8 0.2 15.3 Probe 9 0.2 22.7 Probe 10 9.8 16.3 - (Beispiel 5)
- Erklärung unter Verwendung von
16 bis18 wird nachfolgend gegeben. - Als Beispiel 5, zeigt
16 die Veränderung der piezoelektrischen Charakteristika in Abhängigkeit der (111) integrierten Intensität des dünnen piezoelektrischen KNN Films. Die (111) integrierte Intensität ist auf der horizontalen Achse abgebildet, und die piezoelektrische Konstante ist auf der vertikalen Achse abgebildet. Hier ist als ein Beispiel die piezoelektrische Konstante gezeigt, in einem Fall, in dem ein elektrisches Feld von 6.7 MV/m oder 0.67 MV/m angewendet wird. Es ist anzumerken, dass eine beliebige Einheit als die Einheit der piezoelektrischen Konstante gewählt werden kann. Allerdings kann als ein spezifisches Beispiel einer tatsächlichen piezoelektrischen Konstante d33, was ein Veränderungsausmaß der Ausdehnung/Zusammenziehung in einer vertikalen (Dicke) Richtung in Bezug auf eine Elektrodenoberfläche ist, oder d31, was ein Veränderungsausmaß der Ausdehnung/Zusammenziehung in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche ist, angegeben werden. - Eine beliebige Einheit ist als die Einheit der piezoelektrischen Konstante gesetzt, und das ist darin begründet, dass es nicht einfach ist, Werte für den Elastizitätsmodul und die Poissonzahl einer piezoelektrischen Schicht (eines piezoelektrischen dünnen Films) zu erhalten, obwohl die Werte des Elastizitätsmoduls und der Poissonzahl der piezoelektrischen Schicht benötigt werden, um die piezoelektrische Konstante zu erhalten. Insbesondere ist ein dünner Film von einem bei der Filmbildung verwendeten Substrat betroffen (oder eingeschränkt), und es ist daher prinzipiell nicht einfach, einen absoluten Wert (wahren Wert) des Elastizitätsmoduls und der Poissonzahl (Konstante) des dünnen Films selbst zu erhalten. Daher wird die piezoelektrische Konstante unter Verwendung geschätzter Werte des Elastizitätsmoduls und der Poissonzahl des KNN Films, der zuvor bekannt war, berechnet. Dementsprechend ist die erhaltene piezoelektrische Konstante ein geschätzter Wert, und dementsprechend ist die piezoelektrische Konstante relativ und objektiv auf eine beliebige Einheit gesetzt. Allerdings kann gesagt werden, dass auch wenn der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl des KNN Films, die in der Berechnung der piezoelektrischen Konstante verwendet werden, geschätzte Werte sind, diese Werte im gewissen Maß verlässliche Werte sind, und ungefähr 80 [beliebige Einheit] der piezoelektrischen Konstante zeigt, dass die piezoelektrische Konstante d31 ungefähr 80 [–pm/V] ist. Dieses kann auch für den Fall von
17 und18 gesagt werden. - Wie in
16 gezeigt, kann die folgende Tendenz beobachtet werden. Das heißt, wenn die durch die (111) Orientierung induzierte Röntgenintensität leicht erhöht ist, ist die piezoelektrische Konstante dementsprechend erhöht. Allerdings wird festgestellt, dass wenn die (111) induzierte integrierte Intensität, die in diesem Beispiel analysiert wird, 100 übersteigt, die piezoelektrische Konstante mit dem Anstieg der integrierten Intensität absolut reduziert ist. - Als nächstes zeigt
17 zum Vergleich mit der (001) Orientierungskomponente eine Abhängigkeit der piezoelektrischen Charakteristika der piezoelektrischen dünnen KNN Films von dem (111) Orientierungskomponentenverhältnis, der Volumenanteil der (111) Orientierungskomponente ist auf der horizontalen Achse abgebildet, und die piezoelektrische Konstante ist auf der vertikalen Achse abgebildet. In diesem Beispiel wird festgestellt, dass die piezoelektrische Konstante mit dem Anstieg des (111) Volumenanteils in einem Bereich von 0 bis 20% der (111) Orientierungskomponente unabhängig von einer Größe eines angewendeten elektrischen Feldes erhöht ist. - Allerdings wird festgestellt, dass, wenn die (111) Volumenanteile 20% übersteigen, die piezoelektrische Konstante mit dem Anstieg eines solchen Volumenanteils reduziert ist. Insbesondere wird festgestellt, dass, wenn die (111) Volumenanteile 40% übersteigen, die piezoelektrische Konstante einen Wert von ungefähr der Hälfte des Maximalwertes, der in diesem Beispiel erhalten wird, annimmt. In anderen Worten ist es wünschenswert, in dem piezoelektrischen dünnen Film in diesem Beispiel, den Volumenanteil von (111) auf 40% oder weniger einzustellen, um 50% oder mehr vom Maximum der piezoelektrischen Konstante zu sichern. Ferner ist es auch wichtig einen Grad an Kristallinität generell zu verbessern, um die piezoelektrischen Charakteristika eines piezoelektrischen Materials zu verbessern, und die Verbesserung der piezoelektrischen Charakteristika kann durch eine hohe integrierte Intensität der Röntgenbeugung bestätigt werden. In diesem Beispiel wird der Grad der Kristallinität hoch, wenn der Volumenanteil von (111) 30% oder weniger ist. Daher kann der piezoelektrische dünne Film, der Ferner höhere Leistung aufweist, realisiert werden, vorausgesetzt, dass ein höherer Grad an Kristallinität realisiert ist und danach ein optimaler Volumenanteil definiert ist. [Tabelle 2]
Probe (111) Volumenanteil (%) Piezoelektrische Konstante @6,7 MV/m Piezoelektrische Konstante @0,67 MV/m Probe 1 79 25.1 12.0 Probe 2 53 33.5 26.9 Probe 3 78 20.9 12.4 Probe 4 9 64.5 62.8 Probe 5 0 66.1 62.9 Probe 6 12 57.2 56.6 Probe 7 25 86.8 67.5 Probe 8 20 88.3 73.3 Probe 9 28 65.0 59.0 Probe 10 34 60.4 54.0 Probe 11 0 64.6 63.4 Probe 12 5 79.0 66.4 Probe 13 4 82.7 74.1 - Als nächstes zeigen Tabelle 3 und
18 , in der Tabelle 3 als Graph dargestellt ist, die Abhängigkeit der piezoelektrischen Charakteristika des piezoelektrischen dünnen KNN Films von dem (001) Orientierungskomponentenverhältnis. Es wird festgestellt, dass die Abhängigkeit des (001) Volumenanteils von der piezoelektrischen Konstante sich in einem umgekehrten Verhältnis mit dem von (111) befindet. Das heißt, es wird festgestellt, dass die Piezoelektrische Konstante mit der Steigerung der (001) Orientierungskomponente gesteigert ist. Allerdings wird festgestellt, dass wenn der (001) Volumenanteil 80% oder mehr ist, eine Tendenz besteht, dass die Piezoelektrische Konstante reduziert ist. Ferner ist es in dem piezoelektrischen dünnen Film dieses Beispiels wünschenswert, den Volumenanteil auf 60% oder mehr einzustellen, um den Wert so zu realisieren, dass die maximale Piezoelektrische Konstante 50% oder mehr ist. Es ist anzumerken, dass in diesem Beispiel die Summe der (001) und (111) Volumenanteile als 100% angenommen wird. [Tabelle 3]Probe (111) Volumenanteil (%) Piezoelektrische Konstante @6,7 MV/m Piezoelektrische Konstante @0,67 MV/m Probe 1 21 25.1 12.0 Probe 2 47 33.5 26.9 Probe 3 22 20.9 12.4 Probe 4 9] 64.5 62.8 Probe 5 100 66.1 62.9 Probe 6 88 57.2 56.6 Probe 7 75 86.8 67.5 Probe 8 80 88.3 73.3 Probe 9 72 65.0 59.0 Probe 10 66 60.4 54.0 Probe 11 100 64.6 63.4 Probe 12 95 79.0 66.4 Probe 13 96 82.7 74.1 - Wie oben beschrieben fällt in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement, mit mindestens der unteren Elektrode, dem piezoelektrischen dünnen Film, und der oberen Elektrode, die auf dem Substrat abgeschieden, durch präzises Kontrollieren der Kristallorientierung, so dass der Piezoelektrische dünne Film ein Kristallstruktur aus einem pseudokubischen Kristall oder einem tetragonalem Kristall oder einem orthorhombischen Kristall, oder einem Zustand, in dem mindestens eines mehrere von diesen koexistieren, aufweist, und bevorzugt zu einer spezifischen Achse von nicht mehr als zwei Achsen und in einem Komponentenverhältnis von der (001) Komponente zu der (111) Komponente der Volumenanteil der (001) Komponente in einen Bereich von 60% bis 100% und der Volumenanteil der (111) Komponente fällt in einen Bereich von 0% bis 40%, in einem Fall, dass die Summe von der (001) Komponente und der (111) Komponente als 100% gesetzt ist, wird festgestellt, dass die Herstellung eines neuen piezoelektrischen dünnen Hochleistungsfilmelements realisiert werden kann.
- Wie in
17 und18 gezeigt, wurde die piezoelektrische Konstante 87 erhalten, wenn eine angelegte Spannung von von 6.7 MV/m zu dem piezoelektrischen dünnen Filmelement zugegeben wurde, welches von dem Substrat erhalten wurde, welches mit dem piezoelektrischen dünnen Film mit dem Volumenanteil der (111) Komponente von 21%, und dem Volumenanteil der (001) Komponente von 79% versehen ist. Als der Abweichungswinkel von (001) und (111) der erhaltenen piezoelektrischen Dünnfilmvorrichtung in Bezug auf das Substrat ist ein Winkel in einer Kristallorientierungsrichtung von (001) um 3.0° geneigt und in der Kristallorientierungsrichtung von (111) ist um einen Winkel von 0.5° in Bezug zu einer Normallinienrichtung des Substrates geneigt. - Die Herstellungsbedingung zu dieser Zeit ist folgendermaßen. Das Si Substrat, welches eine Dicke von 0.525 mm aufweist, wurde als das Substrat vorbereitet, und durch Anwendung thermaler Oxidationsbehandlung an der Oberfläche, wurde an der Oberfläche des Si Substrates ein Oxidationsfilm mit einer Dicke von 200 nm gebildet. Als nächstes wurde auf dem thermalen Oxidfilm eine Ti Haftschicht von 2 nm gebildet, und ein untere Pt Elektrode von 100 nm, die bevorzugt orientiert zu (111) auf der Ti Haftschicht gebildet war, wurde unter Bedingungen von Substrattemperatur: 350°C, Leistungsladung: 100 W, Ar Gasatmosphäre: 100%, Druck: 2.5 Pa, Filmbildungszeit: 1 bis 3 Minuten (Ti Haftschicht), 10 Minuten (untere Pt Elektrode), gebildet.
- Ein keramische Target ausgedrückt durch (NaxKyLiz)NbO3 (wobei x = 0.5, y = 0.5, z = 0) und eine Targetdichte von 4.6 g/cm3 aufweisend wurde als Target verwendet, so dass der piezoelektrische dünne KNN Film mit einer Filmdicke von 3 μm gebildet wurde. Die Substrattemperatur wurde während der Filmbildung auf 700°C eingestellt, die Leistungsladung war auf 100 W eingestellt, die Atmosphäre wurde in ein gemischtes Gas von Ar und O2 mit einem Verhältnis von 5:5 eingestellt, und der Druck auf 1.3 Pa eingestellt. Ferner wurde die Verlagerung zwischen dem Zentrum des Targets und dem Zentrum des Substrates auf 10 mm eingestellt. Ferner wurde nach Filmbildung in einer Atmosphäre von 700°C für 2.0 Stunden an dem piezoelektrischen KNN Film angewendet. Der Umwälzungsofen wurde für die Sputtervorrichtung verwendet, und eine Inter-TS Distanz war auf 50 mm eingestellt.
- Daher wurden die Elektrode, die ein Zusammensetzungsmaterial war, und der piezoelektrische dünne Film, etc., passend ausgewählt, und die Filmbildungsbedingung, wie beispielsweise die Filmbildungstemperatur, des piezoelektrischen dünnen Films wurde kontrolliert, und der Volumenanteil der bevorzugt orientierten (001) und (111) Komponenten des piezoelektrischen dünnen Films wurde kontrolliert, so dass exzellente piezoelektrische Charakteristika realisiert werden konnten. Ferner konnte die Ertragsrate des Elements, das von dem Substrat, welches mit dem piezoelektrischen dünnen Film ausgestattet war, erhalten wurde, betreffend, ein ausreichend hohes Ergebnis von 96% erhalten werden.
- Wie oben beschrieben wird basierend auf der begrenzten Anzahl von Beispielen eine Erklärung für die gegenwärtige Erfindung gegeben. Allerdings ist die gegenwärtige Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann der piezoelektrische dünne Film, der eine erwünschte innere Belastung aufweist, durch Kontrollieren der Kristallorientierung, durch Verändern der Zusammensetzung des Sputtertargets, der Leistung, die während der Filmbildung geladen wird, der Art eines Verfahrensgases, der Flussrate und des Druckes von dem Gas, oder der Art und der Struktur des Substrates und des Grundes, welches zusätzlich zu der Filmbildungstemperatur Faktoren sind, erhalten werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Si Substrat
- 2
- Haftschicht
- 3
- Untere Elektrodenschicht
- 4
- Piezoelektrischer dünner Film
- 5
- Bevorzugte Orientierung Kristallkorn
- 6
- Kristallkorn, bevorzugt orientiert zu der gleichen Richtung in Bezug auf Normallinienrichtung von Substrat
- 7
- (001) bevorzugt orientiertes Kristallkorn
- 8
- (111) bevorzugt orientiertes Kristallkorn
- 9
- Winkel, gebildet durch (001) Orientierung und Normallinie des Substrates
- 10
- Winkel, gebildet durch (111) Orientierung Substratnormallinie
Claims (8)
- Ein piezoelektrisches dünnes Filmelement, mindestens umfassend: ein Substrat (
1 ); eine untere Elektrode (3 ), die auf einem Oxidfilm ausgebildet ist, der auf dem Substrat (1 ) ausgebildet ist; einen piezoelektrischen dünnen Film (4 ), der auf der unteren Elektrode (3 ) ausgebildet ist und der durch die allgemeine Formel (NaxKyLiz)NbO3 (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 0,2, x + y + z = 1) dargestellt wird; und eine obere Elektrode (15 ), die auf dem Piezoelektrischen dünnen Film (4 ) ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische dünne Film (4 ) eine Kristallstruktur aufweist, die mindestens eines von einem pseudokubischen Kristallsystem, einem tetragonalen Kristallsystem und einem orthorhombischen Kristallsystem umfasst, die Kristallstruktur weist eine Mehrzahl von Kristallachsen auf, und der piezoelektrische dünne Film (4 ) ist so ausgelegt, dass zwei Achsen, die [001] Achse und die [111] Achse, bevorzugt orientiert sind und wobei die Summe eines Volumenanteils der (001) Komponente, die bevorzugt in Richtung der [001] Achse orientiertem Kristallkorn (7 ) entspricht, und eines Volumenanteils einer (111) Komponente, die bevorzugt in Richtung der [001] Achse orientiertem Kristallkorn (8 ) entspricht, als 100% definiert ist, der Volumenanteil der (001) Komponente in einem Bereich von 60% oder mehr und weniger als 99% liegt und der Volumenanteil der (111) Komponente in einem Bereich von mehr als 1% und 40% oder weniger liegt. - Das piezoelektrische dünne Filmelement nach Anspruch 1, wobei eine Grundschicht zwischen dem Substrat (
1 ) und dem piezoelektrisch dünnen Film (4 ) bereitgestellt ist. - Das piezoelektrische dünne Filmelement nach Anspruch 2, wobei die Grundschicht die Elektrodenschicht aus Pt oder einer Legierung, die sich hauptsächlich aus Pt zusammensetzt, ist oder eine Laminationsstruktur aufweist, welche diese Elektrodenschichten, die sich aus Pt zusammensetzen, aufweist.
- Das piezoelektrische dünne Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische dünne Film (
4 ) eine Textur aufweist, die aus columnaren Kristallkörnern zusammengestzt ist. - Das piezoelektrische dünne Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der piezoelektrische dünne Film (
4 ) eine Spannung in einer parallelen Richtung zu einer Oberfläche eines Substrats (1 ) aufweist. - Das piezoelektrische dünne Filmelement nach Anspruch 5, welches eine Spannung, die in einem Zugbelastungszustand oder einem Druckbelastungszustand erzeugt wird, aufweist.
- Das piezoelektrische dünne Filmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat ein Si Substrat (
1 ) ist. - Eine piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung nach Anspruch 1, welche ein Spannungsanwendungsmittel (
16 ) oder ein Spannungsdetektionsmittel (16 ) aufweist, das zwischen der unteren Elektrode (3 ) und der oberen Elektrode (15 ) angeschlossen ist, die in dem piezoelektrischen dünnen Filmelement bereitgestellt sind.
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