DE112022002911T5 - Piezoelektrisches dünnschichtelement, mikroelektromechanisches system und ultraschallwandler - Google Patents

Piezoelektrisches dünnschichtelement, mikroelektromechanisches system und ultraschallwandler Download PDF

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Abstract

Ein piezoelektrisches Dünnschichtelement umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine piezoelektrische Dünnschicht, der auf die erste Elektrodenschicht gebracht ist, und eine zweite Elektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Dünnschicht gebracht ist. Ein Leistungsindex P der piezoelektrischen Dünnschicht ist definiert als (d33,f)2× Y/ε. d33,fist eine piezoelektrische Dehnungskonstante der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht. Y ist der Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Dünnschicht. ε ist die Permittivität der piezoelektrischen Dünnschicht. Der Leistungsindex P liegt im Bereich von 10 % bis 80,1 % .

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, ein mikroelektromechanisches System und einen Ultraschallwandler.
  • Technischer Hintergrund
  • Piezoelektrische Materialien werden zu verschiedenen piezoelektrischen Elementen verarbeitet, die unterschiedlichen Zwecken dienen. Zum Beispiel wandelt ein piezoelektrischer Aktor eine Spannung in eine Kraft um, die durch den inversen piezoelektrischen Effekt der Verformung eines piezoelektrischen Materials entsteht, wenn eine Spannung an das piezoelektrische Material angelegt wird. Darüber hinaus wandelt ein piezoelektrischer Sensor eine Kraft in eine Spannung um, die durch den piezoelektrischen Effekt der Verformung eines piezoelektrischen Materials entsteht, wenn ein Druck auf das piezoelektrische Material ausgeübt wird. Diese piezoelektrischen Elemente sind auf verschiedenen elektronischen Geräten angebracht. In den letzten Jahren wurden piezoelektrische Elemente (piezoelektrische Dünnschichtelemente), die piezoelektrische Dünnschichten verwenden, intensiv untersucht, da eine Verkleinerung der elektronischen Geräte und eine Verbesserung der Leistung erforderlich sind. Je dünner jedoch die piezoelektrischen Materialien sind, desto unwahrscheinlicher ist es, den piezoelektrischen Effekt und den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zu erhalten. Daher wird die Entwicklung von piezoelektrischen Materialien mit ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften im Dünnschichtzustand erwartet.
  • In der verwandten Technik wurden Bleititanat (PbTiO3) oder Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(Zr,Ti)O3) mit einer Perowskit-Struktur häufig in piezoelektrischen Dünnschichtelementen verwendet. In der folgenden Nichtpatentliteratur 1 wird beispielsweise ein Wandler mit einer epitaktischen Dünnschicht aus Bleititanat beschrieben. In der folgenden Nichtpatentliteratur 1 wird auch offenbart, dass Ultraschallwellen im GHz-Band, die in der longitudinalen Schwingungsmode einer epitaktischen Dünnschicht aus Bleititanat erzeugt werden, zur Abbildung von Fingerabdrücken verwendet werden. Da Bleititanat und Bleizirkonattitanat jedoch Blei enthalten, das für den menschlichen Körper und die Umwelt schädlich ist, wird die Entwicklung eines bleifreien piezoelektrischen Materials erwartet. Die folgende Patentliteratur 1 offenbart beispielsweise ein Metalloxid mit Perowskitstruktur, das Wismut, Kalium, Titan, Eisen und ein Element M, wobei das Element M mindestens eine Art zwischen Magnesium und Nickel ist, als piezoelektrische Materialien enthält, die die piezoelektrische Dünnschicht bilden.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2020-113649
  • Nicht-Patent-Literatur
  • Sato et al., Epitaxial PbTiO3 ultrasonic transducer for fingerprint imaging in the giga-hertz range using the reflectometry of back side of substrate, Extended Abstracts of the 68th JSAP Spring Meeting, veröffentlicht am 26. Februar 2021, S. 01-073.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Entsprechend der steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Sensoren und hoher Kommunikationsgeschwindigkeit ist für piezoelektrische Dünnschichtelemente, die in Sensoren, Kommunikationsgeräten und dergleichen verwendet werden, eine Resonanzfrequenz in einem Hochfrequenzband (z. B. im GHz-Bereich) erforderlich. Die Resonanzfrequenz erhöht sich mit der Verringerung der Dicke einer piezoelektrischen Dünnschicht. Im Falle eines piezoelektrischen Dünnschichtelements, das ein piezoelektrisches Material wie Bleititanat oder Bleizirkonattitanat verwendet, ist es jedoch wahrscheinlich, dass sich die piezoelektrischen Eigenschaften (Ferroelektrizität) der piezoelektrischen Dünnschicht bei einer Verringerung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht verschlechtern und der dielektrische Verlust (tan δ) des piezoelektrischen Dünnschichtelements zunimmt. Die Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaften (Ferroelektrizität) der piezoelektrischen Dünnschicht in Übereinstimmung mit einer Verringerung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht wird beispielsweise durch eine inaktive Schicht an einer Grenzfläche zwischen einer Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht, einen Größeneffekt und dergleichen verursacht. Aus den oben beschriebenen Gründen ist es schwierig, das piezoelektrische Dünnschichtelement unter Verwendung des piezoelektrischen Materials im verwandten Stand der Technik in einem Hochfrequenzband (z. B. einem GHz-Band) zu verwenden.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, das eine hohe Resonanzfrequenz aufweist und einen dielektrischen Verlust unterdrückt, ein mikroelektromechanisches System (MEMS), das das piezoelektrische Dünnschichtelement enthält, und einen Ultraschallwandler, der das piezoelektrische Dünnschichtelement enthält, bereitzustellen.
  • Lösung des Problems
  • Die Erfindung bezieht sich beispielsweise auf die folgenden [1] bis [10].
    • [1] Ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, das umfasst:
      • eine erste Elektrodenschicht;
      • eine piezoelektrische Dünnschicht, die auf die erste Elektrodenschicht aufgebracht ist; und
      • eine zweite Elektrodenschicht, die auf die piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht ist,
      • wobei ein Leistungsindex P der piezoelektrischen Dünnschicht definiert ist als (d33,f)2 × Y/ε,
      • d33,f eine piezoelektrische Dehnungskonstante der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht ist,
      • Y ein Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Dünnschicht ist,
      • ε eine Permittivität der piezoelektrischen Dünnschicht ist und
      • der Leistungsindex P im Bereich von 10 % bis 80,1 % liegt.
    • [2] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach [1], wobei -e31,f/e33 der piezoelektrischen Dünnschicht größer als 0 und 0,80 oder kleiner ist.
    • [3] Das piezoelektrische Dünnschichtelement gemäß [1] oder [2], das außerdem umfasst:
      • mindestens eine Zwischenschicht,
      • wobei die Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet ist, und
      • die Zwischenschicht mindestens eine zwischen SrRuO3 und LaNiO3 enthält.
    • [4] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem von [1] bis [3], wobei die piezoelektrische Dünnschicht ein Metalloxid mit einer Perowskitstruktur enthält, das Metalloxid Wismut, Kalium, Titan, Eisen und ein Element M enthält, und das Element M mindestens ein Element zwischen Magnesium und Nickel ist.
    • [5] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach [4], wobei die piezoelektrische Dünnschicht einen tetragonalen Kristall des Metalloxids enthält, und eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls in einer Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht ausgerichtet ist.
    • [6] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach [5], wobei ein Intervall der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls c ist, ein Intervall einer (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls ist a, und c/a im Bereich von 1,05 bis 1,20 liegt.
    • [7] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem von [1] bis [6], wobei die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht im Bereich von 0,3 µm bis 10 µm liegt.
    • [8] Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem von [1] bis [7], wobei eine Resonanzfrequenz der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht im Bereich von 0,10 GHz bis 2 GHz liegt.
    • [9] Ein mikroelektromechanisches System, das umfasst:
      • das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem von [1] bis [8].
    • [10] Ein Ultraschallwandler, der umfasst:
      • das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem von [1] bis [8].
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, das eine hohe Resonanzfrequenz aufweist und einen dielektrischen Verlust unterdrückt, ein mikroelektromechanisches System (MEMS), das das piezoelektrische Dünnschichtelement enthält, und ein Ultraschallwandler, der das piezoelektrische Dünnschichtelement enthält, bereitgestellt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1(a) ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnschichtelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 1 (b) ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 1(a) dargestellten piezoelektrischen Dünnschichtelements, und in 1(b) sind ein Substrat, eine erste Zwischenschicht, eine zweite Zwischenschicht und eine zweite Elektrodenschicht weggelassen.
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines Metalloxids (tetragonaler Kristall) mit einer Perowskitstruktur und zeigt eine Anordnung der jeweiligen Elemente in der Perowskitstruktur.
    • 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines Metalloxids (tetragonaler Kristall) mit einer Perowskit-Struktur und zeigt eine Kristallebene und eine Kristallorientierung des tetragonalen Kristalls.
    • 4 ist ein dreidimensionales Koordinatensystem zur Veranschaulichung der Zusammensetzung einer piezoelektrischen Dünnschicht.
    • 5 ist ein trigonales Koordinatensystem, das einem in 4 dargestellten Dreieck entspricht.
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnschichtelements (Ultraschallwandler) gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die folgende Ausführungsform beschränkt. In den Zeichnungen werden gleiche oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse, die in 1(a), 1(b) und 6 dargestellt sind, sind drei zueinander orthogonale Koordinatenachsen. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind 1(a), 1(b) und 6 gemeinsam, aber die in 1(a), 1(b) und 6 dargestellten Koordinatensysteme haben absolut keine Beziehung zu den in 4 und 5 dargestellten Koordinatensystemen.
  • (Piezoelektrisches Dünnschichtelement)
  • Ein piezoelektrisches Dünnschichtelement gemäß dieser Ausführungsform umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine piezoelektrische Dünnschicht, die direkt oder indirekt auf die erste Elektrodenschicht aufgebracht ist, und eine zweite Elektrodenschicht, die direkt oder indirekt auf die piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht ist. Wie in 1(a) dargestellt, kann ein piezoelektrisches Dünnschichtelement 10 gemäß dieser Ausführungsform beispielsweise ein Einkristallsubstrat 1, eine erste Elektrodenschicht 2 (untere Elektrodenschicht), die auf das Einkristallsubstrat 1 aufgebracht ist, eine piezoelektrische Dünnschicht 3, die auf die erste Elektrodenschicht 2 aufgebracht ist, und eine zweite Elektrodenschicht 4 (obere Elektrodenschicht), die auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 aufgebracht ist, umfassen. Das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 kann außerdem mindestens eine Zwischenschicht enthalten. So kann das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 beispielsweise eine erste Zwischenschicht 5 enthalten. Die erste Zwischenschicht 5 kann zwischen dem Einkristallsubstrat 1 und der ersten Elektrodenschicht 2 angeordnet sein, und die erste Elektrodenschicht 2 kann direkt auf eine Oberfläche der ersten Zwischenschicht 5 aufgebracht sein. Das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 kann eine zweite Zwischenschicht 6 enthalten. Die zweite Zwischenschicht 6 kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 2 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 angeordnet sein, und die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann direkt auf eine Oberfläche der zweiten Zwischenschicht 6 aufgebracht sein. Eine Dicke des Einkristallsubstrats 1, der ersten Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 2, der zweiten Zwischenschicht 6, der piezoelektrischen Dünnschicht 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann einheitlich sein. Wie in 1(b) dargestellt, ist eine Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ungefähr parallel zu einer Normalenrichtung DN einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2. Das heißt, eine Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist ungefähr parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2. Die Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist eine Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Die Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann auch als Normalenrichtung der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 bezeichnet werden.
  • Ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 muss nicht das Einkristallsubstrat 1 enthalten. Beispielsweise kann das Einkristallsubstrat 1 nach der Bildung der ersten Elektrodenschicht 2, der piezoelektrischen Dünnschicht 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 entfernt werden. In einem Fall, in dem das Einkristallsubstrat 1 als Elektrode fungiert, kann das Einkristallsubstrat 1 die erste Elektrodenschicht 2 sein. Das heißt, in einem Fall, in dem das Einkristallsubstrat 1 als Elektrode fungiert, kann das Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 das Einkristallsubstrat 1 und die piezoelektrische Dünnschicht 3 umfassen, die auf das Einkristallsubstrat 1 aufgebracht ist. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann direkt auf das Einkristallsubstrat 1 aufgebracht werden. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann durch mindestens eine Zwischenschicht zwischen der ersten Zwischenschicht 5 und der zweiten Zwischenschicht 6 auf das Einkristallsubstrat 1 aufgebracht werden.
  • Eine Resonanzfrequenz der Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann im Bereich von 0,10 GHz bis 2 GHz, im Bereich von 0,17 GHz bis 2 GHz, im Bereich von 0,3 GHz bis 2 GHz oder im Bereich von 0,17 GHz bis 1,17 GHz liegen. Ein Leistungsindex P der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist definiert als (d33,f)2 × Y/ε. Der Leistungsindex P hat eine ähnliche technische Bedeutung wie kt2 also ein Quadrat eines elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. d33,f ist eine piezoelektrische Dehnungskonstante der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Y ist ein Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Dünnschicht 3. ε ist eine Permittivität der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Der Leistungsindex P liegt im Bereich von 10 % bis 80,1 %. Das heißt, 100× (d33,f)2 × Y/ε liegt im Bereich von 10 bis 80. Der Leistungsindex P ist ein dimensionsloser numerischer Wert. Eine Einheit für die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f ist [pm/V] oder [pC/N]. Eine Einheit des Elastizitätsmoduls Y ist [GPa] oder [N/m2]. Eine Einheit der Permittivität ε ist [F m-1], [C/V · m] oder [C2 /N m2]. ε ist gleich ε0 × ε33. ε0 ist die Permittivität des Vakuums. ε33 ist die relative Permittivität (εr) der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Die Resonanzfrequenz der Dickenlängsschwingung in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann im Bereich von 0,03 GHz bis 2 GHz liegen.
  • Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f kann beispielsweise 40 pm/V bis 120 pm/V, 40 pm/V bis 91 pm/V, 47 pm/V bis 91 pm/V oder 47 pm/V bis 90 pm/V betragen. Der Elastizitätsmodul Ykann z. B. 50 GPa bis 200 GPa, 70 GPa bis 100 GPa oder 76 GPa bis 94 GPa betragen. Die relative Permittivität ε33 kann zum Beispiel im Bereich von 50 bis 200 oder im Bereich von 87 bis 155 liegen. In einem Fall, in dem d33,f, Y und ε33 innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen, beträgt der Leistungsindex P wahrscheinlich 10 % bis 80,1 %. Der Leistungsindex P kann im Bereich von 15,1 % bis 80,1 % liegen.
  • Da das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 die longitudinale Schwingung (elastische Volumenwelle) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 nutzt, kann das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 bei einer hohen Resonanzfrequenz wirken (eine Resonanzfrequenz in einem Sub-GHz-Band oder eine Resonanzfrequenz in einem GHz-Band). Dementsprechend ist das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 für einen hochpräzisen Sensor (z. B. einen Ultraschallwandler wie einen Fingerabdrucksensor und einen Gefäßsensor), ein Hochgeschwindigkeitskommunikationsgerät oder ähnliches geeignet. Im Gegensatz dazu ist die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Dünnschichtelements im verwandten Stand der Technik, bei dem die Längsquerschwingung (Schwingung in der Ebene) der piezoelektrischen Dünnschicht verwendet wird, relativ niedrig und liegt im MHz-Bereich.
  • In einem Fall, in dem der Leistungsindex P im Bereich von 10 % bis 80,1 % liegt, wird eine Zunahme des dielektrischen Verlusts (tan δ) des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 in Übereinstimmung mit einer Abnahme der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 unterdrückt. Das heißt, selbst in einem Fall, in dem die piezoelektrische Dünnschicht 3 sehr dünn ist, kann der dielektrische Verlust in einem Hochfrequenzband (zum Beispiel in einem Frequenzband von 0,10 GHz bis 2 GHz) ausreichend unterdrückt werden. Infolgedessen kann die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 auf einen sehr kleinen Wert eingestellt werden und die Resonanzfrequenz der Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann in einem Hochfrequenzband eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 im Bereich von 0,3 µm bis 5 µm, im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm, im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm oder im Bereich von 0,5 µm bis 3 µm liegen. Gemäß dieser Ausführungsform werden selbst bei einer Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 von 5 µm oder weniger oder 3 µm oder weniger ausreichende piezoelektrische Eigenschaften (Ferroelektrizität) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 beibehalten und der dielektrische Verlust in einem Hochfrequenzband unterdrückt, so dass die Resonanzfrequenz der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 innerhalb eines Hochfrequenzbandes eingestellt werden kann. Wenn der Leistungsindex P weniger als 10 % beträgt, ist es weniger wahrscheinlich, dass der dielektrische Verlust in einem Hochfrequenzband unterdrückt wird. Beispielsweise kann der dielektrische Verlust (tan δ) des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 im Bereich von 0,0 % bis 0,9 % oder im Bereich von 0,3 % bis 0,9 % liegen.
  • -e31,f/e33 der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann mehr als 0 und 0,80 oder weniger, von 0,70 bis 0,80 oder mehr als 0 und 0,70 oder weniger betragen. e31,f ist eine piezoelektrische Spannungskonstante der Längsquerschwingung (Schwingung in der Ebene) der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Eine Einheit von -e31,f ist [C/m2]. Die Längsquerschwingung ist eine Schwingung (Ausdehnung und Kontraktion) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in einer Richtung orthogonal zu einer Polarisationsrichtung (Dickenrichtung dn) der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Mit anderen Worten, die Längsquerschwingung ist eine Schwingung (Ausdehnung und Kontraktion) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in einer Richtung, die ungefähr parallel zu einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 und der zweiten Elektrodenschicht 4 verläuft. e33 ist eine piezoelektrische Spannungskonstante der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Eine Einheit von e33 ist [C/m2]. Die Dickenlängsschwingung ist eine Schwingung (Ausdehnung und Kontraktion) der piezoelektrischen Dünnschicht in der Polarisationsrichtung (Dickenrichtung dn) der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Mit anderen Worten, die Dickenlängsschwingung ist die Schwingung (Ausdehnung und Kontraktion) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2. e33 kann aus einem Messwert von d33,f und Y berechnet werden.
  • Je kleiner -e31,f/e33 ist, desto stärker wird die Querschwingung (Schwingung in der Ebene) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 unterdrückt, und desto wahrscheinlicher ist es, dass die Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 auftritt. Ein Wert von -e31,f/e33 von 0,80 oder weniger bedeutet, dass die Querschwingung der Länge (Schwingung in der Ebene) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 im Vergleich zur Längsschwingung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausreichend unterdrückt ist. Das heißt, dass in einem Fall, in dem -e31,f/e33 0,80 oder weniger beträgt, die Schwingung in der Ebene, die eine Hauptursache für ein Rauschen in einem Hochfrequenzband ist, wahrscheinlich unterdrückt wird. In einem Fall, in dem der Leistungsindex P im Bereich von 10 % bis 80,1 % liegt, tendiert -e31,f/e33 dazu, mehr als 0 und 0,80 oder weniger zu betragen.
  • Auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann eine Gitterspannung einwirken, die annähernd orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verläuft. Die Gitterspannung kann durch eine Fehlanpassung des Gitters zwischen der ersten Elektrodenschicht 2 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verursacht werden. Zum Beispiel in einem Fall, in dem eine Gitterkonstante der ersten Elektrodenschicht 2 in einer Richtung in der Ebene der ersten Elektrodenschicht 2 (Richtung, die ungefähr parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ist) kleiner ist als eine Gitterkonstante der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in der gleichen Richtung (Richtung, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist), eine Gitterspannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in der Richtung komprimiert, die annähernd orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, wahrscheinlich auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 wirkt. In Übereinstimmung mit der Abkühlung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 während eines Prozesses zur Bildung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann eine thermische Spannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in der Richtung berührt, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 einwirken. Andererseits kann in einem Fall, in dem die Gitterkonstante der ersten Elektrodenschicht 2 in der Richtung in der Ebene der ersten Elektrodenschicht 2 (Richtung, die ungefähr parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 verläuft) größer ist als die Gitterkonstante der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in derselben Richtung (Richtung, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verläuft) eine Gitterspannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in die Richtung zieht, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, wahrscheinlich auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 wirkt.
  • Die Gitterspannung kann durch eine Fehlanpassung des Gitters zwischen der zweiten Zwischenschicht 6 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verursacht werden. Zum Beispiel in einem Fall, in dem eine Gitterkonstante der zweiten Zwischenschicht 6 in der Richtung in der Ebene der ersten Elektrodenschicht 2 (Richtung, die ungefähr parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ist) kleiner ist als die Gitterkonstante der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in der gleichen Richtung (Richtung, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist), eine Gitterspannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in der Richtung komprimiert, die annähernd orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 einwirken kann. Andererseits ist in einem Fall, in dem die Gitterkonstante der zweiten Zwischenschicht 6 in der Richtung in der Ebene der ersten Elektrodenschicht 2 (Richtung, die ungefähr parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 verläuft) größer als die Gitterkonstante der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in derselben Richtung (Richtung, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verläuft), eine Gitterspannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in die Richtung zieht, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, wahrscheinlich auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 wirkt.
  • Die Gitterspannung unterdrückt die Ausdehnung und Kontraktion der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in einer Richtung, die annähernd orthogonal zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist. Dementsprechend unterdrückt die Gitterspannung die Längsquerschwingungen (Schwingungen in der Ebene) der piezoelektrischen Dünnschicht 3.
  • Andererseits ist es weniger wahrscheinlich, dass die Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 durch die Gitterspannung unterdrückt wird. Wirkt die Gitterspannung, die die piezoelektrische Dünnschicht 3 in einer Richtung komprimiert, die annähernd orthogonal zur Dickenrichtung dn ist, auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 ein, wird die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 expandiert. Mit anderen Worten, die Kristallstruktur (Perowskit-Struktur) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 bildet wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall, und eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls wird wahrscheinlich aufgrund der Gitterspannung in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgerichtet. Dementsprechend wird eine Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaften (Ferroelektrizität) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 in Übereinstimmung mit einer Abnahme der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 aufgrund der Gitterspannung wahrscheinlich unterdrückt, und der dielektrische Verlust wird wahrscheinlich unterdrückt. Mit anderen Worten, die elastische Energie der Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird wahrscheinlich aufgrund der Gitterspannung in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 akkumuliert, und der Leistungsindex P (ein Wert, der sich auf Kt2 bezieht, der das Quadrat eines elektromechanischen Kopplungskoeffizienten ist) wird wahrscheinlich zunehmen. Aus den oben beschriebenen Gründen ist es wahrscheinlich, dass die Resonanzfrequenz der Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 innerhalb eines Hochfrequenzbandes liegt.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann ein Metalloxid mit einer Perowskitstruktur enthalten. Zum Beispiel kann das Metalloxid mindestens zwei Arten von Elementen enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Bismut (Bi), Lanthan (La), Yttrium (Y), Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Zink (Zn), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Kobalt (Co) und Galium (Ga) besteht. Unter dem Gesichtspunkt, dass das Metalloxid wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall bildet und dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P hat, kann das Metalloxid Bi, K, Ti, Fe und ein Element M enthalten. Das Element M kann mindestens ein Element zwischen Mg und Ni sein. Das Metalloxid ist ein Hauptbestandteil der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Ein Verhältnis aller Elemente, die das Metalloxid in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 konstituieren, kann im Bereich von 99 bis 100 Mol-% liegen. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann auch nur aus dem Metalloxid bestehen. Solange sich die piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Dünnschicht 3 nicht verschlechtern, kann die piezoelektrische Dünnschicht 3 neben Bi, K, Ti, Fe, dem Element M und O auch andere Elemente enthalten.
  • In der folgenden Beschreibung wird das Metalloxid mit Perowskit-Struktur als „Oxid vom Perowskit-Typ“ bezeichnet. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann aus einem Einkristall des Oxids vom Perowskit-Typ bestehen. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann aus einem Polykristall des perowskitischen Oxids bestehen. Eine Einheitszelle des Oxidtyps Perowskit ist in 2 dargestellt. Ein Element, das sich an einer A-Stelle einer Einheitszelle uc befindet, ist Bi oder K. Ein Element, das sich an einer B-Stelle der Einheitszelle uc befindet, ist Ti, Mg, Ni oder Fe. Die in 2 dargestellte Einheitszelle uc ist die gleiche wie die in 3 dargestellte Einheitszelle uc. In 3 sind jedoch die B-Stelle und der Sauerstoff (O) in der Einheitszelle uc weggelassen, um Kristallebenen zu veranschaulichen. a ist eine Gitterkonstante, die einem Intervall einer (100)-Ebene des Oxids vom Perowskit-Typ entspricht. b ist eine Gitterkonstante, die einem Intervall einer (010)-Ebene des Oxids vom Perowskit-Typ entspricht. c ist eine Gitterkonstante, die einem Intervall einer (001)-Ebene des Oxids vom Perowskit-Typ entspricht.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann einen tetragonalen Kristall des Oxidtyps Perowskit bei einer normalen Temperatur oder einer Temperatur enthalten, die gleich oder niedriger als die Curie-Temperatur des Oxidtyps Perowskit ist. Da, wie oben beschrieben, eine Gitterspannung auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 einwirken kann, wird die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich in einer Richtung kontrahiert, die ungefähr orthogonal zur Dickenrichtung dn ist. Infolgedessen ist jede der Gitterkonstanten a und b der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich kleiner als die Gitterkonstante c in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3, und das Oxid vom Perowskit-Typ bildet wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall. Infolgedessen hat die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften (Ferroelektrizität), und die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P. Alle in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 enthaltenen Oxide vom Perowskit-Typ können tetragonale Kristalle sein. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann zusätzlich zu dem tetragonalen Kristall des Perowskit-Oxids einen kubischen Kristall des Perowskit-Oxids oder einen rhomboedrischen Kristall des Perowskit-Oxids oder beide enthalten.
  • Die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls kann in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert sein. Eine Richtung, in der das Oxid vom Perowskit-Typ mit der oben beschriebenen Zusammensetzung wahrscheinlich polarisiert wird, ist [001]. Wenn die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert ist, hat die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften (Ferroelektrizität), und die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P. Aus demselben Grund kann c/a des tetragonalen Kristalls im Bereich von 1,05 bis 1,20 oder im Bereich von 1,05 bis 1,14 liegen. Die Gitterkonstante a des tetragonalen Kristalls kann zum Beispiel im Bereich von 0,375 Å bis 0,395 Å liegen. Die Gitterkonstante c des tetragonalen Kristalls kann zum Beispiel im Bereich von 0,430 Å bis 0,450 Å liegen.
  • Das Ausmaß der Orientierung jeder Kristallebene des Oxids vom Perowskit-Typ (tetragonaler Kristall) kann durch einen Orientierungsgrad quantifiziert werden. Der Orientierungsgrad jeder Kristallebene kann auf der Grundlage eines Peaks einer von jeder Kristallebene abgeleiteten gebeugten Röntgenstrahlung berechnet werden. Der Peak der von jeder Kristallebene abgeleiteten gebeugten Röntgenstrahlung kann durch Messung außerhalb der Ebene auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 gemessen werden. Der Grad der Orientierung einer (001)-Ebene kann als 100× I / I(001)Σ(hkl) ausgedrückt werden. Der Orientierungsgrad einer (110)-Ebene kann als 100× I/ I(110)Σ(hkl) ausgedrückt werden. Der Orientierungsgrad einer (111)-Ebene kann als 100× I / I(111)L(hkl) ausgedrückt werden. I(001) ist der Maximalwert eines Peaks eines gebeugten Röntgenstrahls, der von der (001)-Ebene stammt. I(110) ist ein Maximalwert eines Peaks eines gebeugten Röntgenstrahls, der aus der (110)-Ebene stammt. I(111) ist ein Maximalwert eines Peaks eines gebeugten Röntgenstrahls, der von der (111)-Ebene abgeleitet wird. EI(hkl) ist I(001) + I(110) + I(111) . Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene kann auch als 100× S / S(001)Σ(hkl) ausgedrückt werden. Der Orientierungsgrad der (110)-Ebene kann auch als 100 × S / S(110)Σ(hkl) ausgedrückt werden. Der Orientierungsgrad der (111)-Ebene kann auch als 100× S / S(111)Σ(hkl) ausgedrückt werden. S(001) ist die Fläche des Peaks (Integration des Peaks) der gebeugten Röntgenstrahlung, die von der (001)-Ebene stammt. S(110) ist eine Fläche des Peaks (Integration des Peaks) der von der (110)-Ebene abgeleiteten gebeugten Röntgenstrahlung. S(111) ist eine Fläche des Peaks (Integration des Peaks) der von der (111)-Ebene abgeleiteten gebeugten Röntgenstrahlung. ΣS(hkl) ist S(001) + S(110) + S(111). Das Ausmaß der Orientierung jeder Kristallebene kann durch den Grad der Orientierung auf der Grundlage einer Lotgering-Methode quantifiziert werden.
  • Unter dem Gesichtspunkt, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P
    hat, ist es vorzuziehen, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls vorzugsweise in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert ist. Das heißt, der Orientierungsgrad der (001)-Ebene ist vorzugsweise höher als der Orientierungsgrad der (110)-Ebene und der (111)-Ebene. Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene liegt beispielsweise im Bereich von 70 % und 100 %, vorzugsweise im Bereich von 80 % bis 100 % und besonders bevorzugt im Bereich von 90 % bis 100 %.
  • Im Gegensatz zu der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist es schwierig, eine Masse eines piezoelektrischen Materials mit einer kubischen Kristallstruktur oder einer pseudokubischen Kristallstruktur zu verformen, um die Masse des piezoelektrischen Materials zu einem tetragonalen Kristall zu machen. Dementsprechend neigt die Masse des piezoelektrischen Materials dazu, weniger wahrscheinlich piezoelektrische Eigenschaften zu haben, die durch den tetragonalen Kristall des Oxids vom Perowskit-Typ verursacht werden.
  • Eine unten beschriebene Eigenschaft der
    Kristallorientierung zeigt an, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert ist.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat wahrscheinlich die oben beschriebene Eigenschaft der Kristallorientierung. Eine Dünnschicht ist eine kristalline Schicht, das durch ein Aufdampfverfahren oder ein Lösungsverfahren hergestellt wird. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Masse aus einem piezoelektrischen Material, das die gleiche Zusammensetzung wie die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat, im Vergleich zur piezoelektrischen Dünnschicht 3 eine Kristallorientierung aufweist, geringer. Der Grund dafür ist, dass die Masse des piezoelektrischen Materials ein gesinterter Körper (Keramik) aus Pulvern ist, die wesentliche Elemente des piezoelektrischen Materials enthalten, und dass es schwierig ist, eine Struktur und eine Orientierung einer Vielzahl von Kristallen zu kontrollieren, die den gesinterten Körper bilden. Ein relativer spezifischer Widerstand der Masse des piezoelektrischen Materials ist niedriger als der der piezoelektrischen Dünnschicht 3, da die Masse des piezoelektrischen Materials Fe enthält. Infolgedessen ist es wahrscheinlich, dass in der Masse des piezoelektrischen Materials ein Leckstrom auftritt. Dementsprechend ist es schwierig, die Masse des piezoelektrischen Materials durch Anlegen eines hohen elektrischen Feldes zu polarisieren, und es ist schwierig für die Masse des piezoelektrischen Materials, ähnliche piezoelektrische Eigenschaften wie in der piezoelektrischen Dünnschicht zu haben.
  • Das in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 enthaltene Metalloxid kann durch die folgende chemische Formel 1 ausgedrückt werden. Die folgende chemische Formel 1 ist im Wesentlichen die gleiche wie die folgende chemische Formel 1a. In einem Fall, in dem das Metalloxid durch die folgende chemische Formel 1 ausgedrückt wird, enthält das Metalloxid der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall, der tetragonale Kristall hat wahrscheinlich die oben beschriebene Kristallorientierungseigenschaft, und die piezoelektrische Dünnschicht 3 hat wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P. x(BiαK1-α)TiO3-yBi(MβTi1-β)O3-zBiFeO3 (1) (BiαK1-α)xBiy+zTix(MβTi1-β)yFezO3±δ (1a)
  • Jedes x, y und z in der chemischen Formel 1 ist eine positive reelle Zahl (Einheit: mol). x+y+z ist 1. x in der chemischen Formel 1 ist größer als 0 und kleiner als 1. y in der chemischen Formel 1 ist größer als 0 und kleiner als 1. z in der Chemischen Formel 1 ist größer als 0 und kleiner als 1.α in der Chemischen Formel 1 ist größer als 0 und kleiner als 1.β in der Chemischen Formel 1 ist größer als 0 und kleiner als 1.α kann beispielsweise 0,5 sein undß kann 0,5 sein. M in der chemischen Formel 1 wird als MgγNi1-γ ausgedrückt. y liegt im Bereich von 0 bis 1. Eine Summe der Molzahl von Bi und K im Metalloxid kann als [A] ausgedrückt werden, und die Summe der Molzahl von Ti, Fe und dem Element M im Metalloxid kann als [B] ausgedrückt werden, und [A]/[B] kann 1,0 sein. [A]/[B] kann ein anderer Wert als 1,0 sein, solange das Metalloxid eine Perowskit-Struktur aufweisen kann. Das heißt, [A]/[B] kann weniger als 1,0 und mehr als 1,0 betragen.δ in der chemischen Formel 1a ist 0 oder mehr.δ kann ein anderer Wert als 0 sein, solange das Metalloxid eine Perowskit-Struktur haben kann. Zum Beispiel kannδ mehr als 0 und 1,0 oder weniger betragen. Zum Beispiel kannδ aus der Wertigkeit eines jeden Ions in der A-Stelle und eines Ions in der B-Stelle in der Perowskitstruktur berechnet werden. Die Wertigkeit jedes der Ionen kann durch ein Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Verfahren gemessen werden.
  • In der folgenden Beschreibung wird (BiKα1-α)TiO3 als BKT bezeichnet. Bi(MβTi1-β)O3 wird als BMT bezeichnet. BiFeO3 wird als BFO bezeichnet. Ein Metalloxid, dessen Zusammensetzung als die Summe von BKT und BMT ausgedrückt wird, wird als BKT-BMT bezeichnet. Das Metalloxid mit einer Zusammensetzung, die durch die chemische Formel 1 ausgedrückt wird, wird als xBKT-yBMT-zBFO bezeichnet. Ein Kristall von BKT, BMT, BFO, BKT-BMT und xBKT-yBMT-zBFO hat eine Perowskitstruktur.
  • Der BKT-Kristall ist bei normaler Temperatur ein tetragonaler Kristall und BKT ist ein ferroelektrisches Material. Der BMT-Kristall ist bei normaler Temperatur ein rhomboedrischer Kristall, und BMT ist ein ferroelektrisches Material. Der Kristall von BFO ist bei normaler Temperatur ein rhomboedrischer Kristall, und BFO ist ein ferroelektrisches Material. Eine dünne Schicht, die aus BKT-BMT besteht, ist bei gewöhnlicher Temperatur ein tetragonaler Kristall. c/a des tetragonalen Kristalls von BKT-BMT ist tendenziell größer als c/a von BKT. Eine dünne Schicht aus BKT-BMT weist im Vergleich zu einer dünnen Schicht aus BKT und einer dünnen Schicht aus BMT eine bessere Ferroelektrizität auf. Eine dünne Schicht, die aus xBKT-yBMT-zBFO besteht, neigt dazu, bei einer normalen Temperatur ein tetragonaler Kristall zu sein. c/a des tetragonalen Kristalls von xBKT-yBMT-zBFO ist tendenziell größer als c/a von BKT-BMT. Die Dünnschicht aus xBKT-yBMT-zBFO weist im Vergleich zu der Dünnschicht aus BKT-BMT eine bessere Ferroelektrizität auf. Das heißt, die piezoelektrische Dünnschicht 3, die xBKT-yBMT-zBFO enthält, kann eine ferroelektrische Dünnschicht sein. Die Ferroelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird durch eine Zusammensetzung von xBKT-yBMT-zBFO mit morphotroper Phasengrenze (MPB) verursacht. Da die piezoelektrische Dünnschicht 3 jedoch zu einem tetragonalen Kristallsystem gehört, ist davon auszugehen, dass die Ferroelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht 3 nicht einfach nur auf die MPB zurückzuführen ist. Wenn die piezoelektrische Dünnschicht 3 die Ferroelektrizität aufweist, ist es wahrscheinlich, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 ein großes d33,f hat. Im Gegensatz zur piezoelektrischen Dünnschicht 3 ist ein Kristall, der in einer Masse von xBKT-yBMT-zBFO enthalten ist, ein pseudokubischer Kristall, und die Masse von xBKT-yBMT-zBFO neigt dazu, die Kristallorientierungseigenschaft und die Ferroelektrizität im Vergleich zur piezoelektrischen Dünnschicht 3 weniger wahrscheinlich zu haben.
  • Die Zusammensetzung von xBKT-yBMT-zBFO kann auf der Grundlage eines dreidimensionalen Koordinatensystems ausgedrückt werden. Wie in 4 dargestellt, ist das dreidimensionale Koordinatensystem aus einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse zusammengesetzt. Alle Koordinaten im Koordinatensystem werden als (X, Y, Z) ausgedrückt. Die Koordinaten (x, y, z) im Koordinatensystem stehen für x, y und z in der chemischen Formel 1. Eine Summe von x, y und z in der Chemischen Formel 1 ist 1, und jedes x, y und z ist eine positive reelle Zahl. Dementsprechend befinden sich die Koordinaten (x, y, z) innerhalb eines Dreiecks, das durch eine gestrichelte Linie in einer Ebene mit der Formel X+Y+Z =1 gezeichnet wird. Das heißt, die Koordinaten (x, y, z) befinden sich innerhalb eines Dreiecks, dessen Eckpunkte die Koordinaten (1, 0, 0), (1, 1, 0) und (0, 0, 1) sind. Das Dreieck ist in 5 als trigonale Koordinaten dargestellt. In 5 sind die Koordinaten A (0,300, 0,100, 0,600). Die Koordinaten B sind (0,450, 0,250, 0,300). Die Koordinaten C sind (0,200, 0,500, 0,300). Die Koordinaten D sind (0,100, 0,300, 0,600). Die Koordinaten E sind (0,400, 0,200, 0,400). Die Koordinaten F sind (0,200, 0,400, 0,400). Alle Koordinaten A, die Koordinaten B, die Koordinaten C, die Koordinaten D, die Koordinaten E und die Koordinaten F liegen in einer Ebene, die durch X+Y+Z = 1 ausgedrückt wird. Die Koordinaten (x, y, z), die x, y und z in der chemischen Formel 1 darstellen, können sich innerhalb eines Quadrats befinden, dessen Eckpunkte die Koordinaten A, die Koordinaten B, die Koordinaten C und die Koordinaten D sind. In einem Fall, in dem sich die Koordinaten (x, y, z) innerhalb des Quadrats ABCD befinden, wird die Zusammensetzung von xBKT-yBMT-zBFO wahrscheinlich MPB aufweisen, und die piezoelektrischen Eigenschaften und die Ferroelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht 3 werden wahrscheinlich verbessert werden. Aus demselben Grund können die Koordinaten (x, y, z) in einem Quadrat liegen, dessen Eckpunkte die Koordinaten A, die Koordinaten E, die Koordinaten F und die Koordinaten D sind. x kann gleich y sein. In einem Fall, in dem x gleich y ist, liegen die Koordinaten (x, y, z) auf einer Geraden, die durch die Koordinaten (0,500, 0,500, 0) und die Koordinaten (0, 0, 1) verläuft. In einem Fall, in dem x gleich y ist, hat die Zusammensetzung von xBKT-yBMT-zBFO wahrscheinlich MPB, und die piezoelektrischen Eigenschaften und die Ferroelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht 3 werden wahrscheinlich verbessert.
  • x kann von 0,100 bis 0,450 sein, y kann von 0,100 bis 0,500 sein, und z kann von 0,300 bis 0,600 sein. x kann von 0,100 bis 0,400 sein, y kann von 0,100 bis 0,400 sein, und z kann von 0,400 bis 0.600 liegen. x kann im Bereich von 0,150 bis 0,350 liegen, y kann im Bereich von 0,150 bis 0,350 liegen, und z kann im Bereich von 0,300 bis 0,600 liegen. x kann im Bereich von 0,250 bis 0,300 liegen, y kann im Bereich von 0,250 bis 0,300 liegen, und z kann im Bereich von 0,400 bis 0,600 liegen. In einem Fall, in dem x, y und z innerhalb der oben beschriebenen Bereiche liegen und x+y+z gleich 1 ist, wird die Zusammensetzung von xBKT-yBMT-zBFO wahrscheinlich MPB aufweisen, und die piezoelektrischen Eigenschaften und die Ferroelektrizität der piezoelektrischen Dünnschicht 3 werden wahrscheinlich verbessert werden.
  • Eine Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann zum Beispiel von 10 nm bis 10 µm, von 0,3 µm bis 10 µm, von 0,3 µm bis 5 µm, von 0,5 µm bis 5 µm, von 0,3 µm bis 3 µm oder von 0.5 µm bis 3 µm sein. Die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Dünnschicht 3 erhöht sich entsprechend einer Abnahme der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Die Fläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann beispielsweise 1 µm2 bis 500 µm2 betragen. Die Fläche des Einkristallsubstrats 1, der ersten Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 2, der zweiten Zwischenschicht 6 und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann jeweils der Fläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 entsprechen.
  • Die Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann beispielsweise durch eine Röntgenfluoreszenzanalysemethode (XRF-Methode) oder eine Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) analysiert werden. Die Kristallstruktur und die Kristallorientierungseigenschaften der piezoelektrischen Dünnschicht 3 können durch eine Röntgenbeugungsmethode (XRD) bestimmt werden.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann beispielsweise nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
  • Als Ausgangsmaterial für die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann ein Target mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verwendet werden. Ein Verfahren zur Herstellung des Targets ist wie folgt.
  • Als Ausgangsrohstoffe können z. B. ein Pulver aus Wismutoxid, Kaliumcarbonat, Titanoxid, einem Oxid des Elements M und Eisenoxid verwendet werden. Bei dem Oxid des Elements M kann es sich um mindestens eines von Magnesiumoxid und Nickeloxid handeln. Als Ausgangsrohstoffe können anstelle der Oxide auch Materialien wie Carbonat und Oxalat verwendet werden, die durch Sintern zu Oxiden werden. Nach ausreichender Trocknung der Ausgangsrohstoffe bei einer Temperatur von 100° C oder höher werden die Ausgangsrohstoffe so gewogen, dass die Molzahlen von Bi, K, Ti, dem Element M und Fe innerhalb der durch die chemische Formel 1 definierten Bereiche liegen. In einem später zu beschreibenden Aufdampfverfahren verflüchtigen sich Bi und K im Target mit größerer Wahrscheinlichkeit als andere Elemente. Dementsprechend kann das Molverhältnis von Bi im Target auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das Molverhältnis von Bi in der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Ein molares Verhältnis von K im Target kann auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das molare Verhältnis von K in der piezoelektrischen Dünnschicht 3.
  • Die eingewogenen Ausgangsstoffe werden in einem organischen Lösungsmittel oder Wasser ausreichend gemischt. Eine Mischzeit kann im Bereich von 5 bis 20 Stunden liegen. Ein Mittel zum Mischen kann eine Kugelmühle sein. Nachdem die gemischten Ausgangsrohstoffe ausreichend getrocknet sind, werden die Ausgangsrohstoffe mit einer Presse geformt. Durch Kalzinieren der geformten Ausgangsrohstoffe wird ein kalziniertes Produkt gewonnen. Eine Kalzinierungstemperatur kann im Bereich von 750° C bis 900° C liegen. Eine Kalzinierungszeit kann im Bereich von 1 bis 3 Stunden liegen. Das kalzinierte Produkt wird in einem organischen Lösungsmittel oder in Wasser pulverisiert. Eine Pulverisierungszeit kann im Bereich von 5 bis 30 Stunden liegen. Ein Mittel für die Pulverisierung kann eine Kugelmühle sein. Nach dem Trocknen des pulverisierten kalzinierten Produkts wird das kalzinierte Produkt, dem eine Bindemittellösung zugesetzt wurde, granuliert, um ein Pulver des kalzinierten Produkts zu erhalten. Durch Pressformen des Pulvers des kalzinierten Produkts wird ein blockförmiger Pressling erhalten.
  • Der blockförmige Pressling wird erhitzt, um das Bindemittel im Pressling zu verdampfen. Eine Erhitzungstemperatur kann im Bereich von 400° C bis 800° C liegen. Eine Erhitzungszeit kann im Bereich von 2 bis 4 Stunden liegen. Nachfolgend wird der Pressling gesintert. Eine Sintertemperatur kann im Bereich von 800° C bis 1100° C liegen. Eine Sinterzeit kann im Bereich von 2 bis 4 Stunden liegen. Eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs und der Temperaturabsenkung des Presslings während des Sinterprozesses kann beispielsweise im Bereich von 50° C/Stunde bis 300° C/Stunde liegen.
  • Das Target wird durch das oben beschriebene Verfahren gewonnen. Die durchschnittliche Korngröße eines Kristallkorns des im Target enthaltenen Metalloxids kann z. B. 1 µm bis 20 µm betragen.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann durch ein Aufdampfverfahren unter Verwendung des Targets hergestellt werden. Bei dem Aufdampfverfahren werden die Elemente, die das Target konstituieren, in einer Vakuumatmosphäre verdampft. Wenn die aufgedampften Elemente an einer Oberfläche der zweiten Zwischenschicht 6, der ersten Elektrodenschicht 2 oder des Einkristallsubstrats 1 anhaften und darauf abgeschieden werden, wächst die piezoelektrische Dünnschicht 3. Das Aufdampfverfahren kann z. B. ein Sputterverfahren, ein Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren, ein chemisches Aufdampfverfahren oder ein Pulslaser-Aufdampfverfahren sein. In der folgenden Beschreibung wird die Methode der gepulsten Laserabscheidung als PLD-Methode bezeichnet. Durch die Verwendung von Aufdampfverfahren ist es möglich, die piezoelektrische Dünnschicht 3 zu bilden, die auf atomarer Ebene dicht ist, und die Entmischung von Elementen in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird unterdrückt. Die Anregungsquelle ist je nach Art des Aufdampfverfahrens unterschiedlich. Eine Anregungsquelle für das Sputterverfahren ist Ar-Plasma. Eine Anregungsquelle für die Elektronenstrahlabscheidung ist ein Elektronenstrahl. Eine Anregungsquelle für das PLD-Verfahren ist Laserlicht (z. B. ein Excimer-Laser). Wenn ein Target mit den Anregungsquellen bestrahlt wird, verdampfen die Elemente, die das Target konstituieren.
  • Unter den oben beschriebenen Aufdampfverfahren ist das PLD-Verfahren unter den folgenden Gesichtspunkten relativ hervorragend. Entsprechende Elemente, die ein Target bilden, können bei der PLD-Methode sofort und gleichmäßig durch einen gepulsten Laser in Plasma verwandelt werden. Dementsprechend kann die piezoelektrische Dünnschicht 3 mit einer Zusammensetzung, die ungefähr der des Targets entspricht, gebildet werden. Darüber hinaus lässt sich die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht 3 leicht steuern, indem die Anzahl der Schüsse des Laserpulses im PLD-Verfahren geändert wird.
  • Die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann eine epitaktische Schicht sein. Das heißt, die piezoelektrische Dünnschicht 3 kann durch epitaktisches Wachstum gebildet werden. Die piezoelektrische Dünnschicht 3 mit ausgezeichneten Kristallorientierungseigenschaften wird wahrscheinlich durch epitaktisches Wachstum gebildet. In einem Fall, in dem die piezoelektrische Dünnschicht 3 durch das PLD-Verfahren gebildet wird, wird die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich durch epitaktisches Wachstum gebildet.
  • Bei dem PLD-Verfahren kann die piezoelektrische Dünnschicht 3 durch Erhitzen des Einkristallsubstrats 1 und der ersten Elektrodenschicht 2 in einer Vakuumkammer gebildet werden. Eine Temperatur (Schichtbildungstemperatur) des Einkristallsubstrats 1 und der ersten Elektrodenschicht 2 kann zum Beispiel im Bereich von 300° C bis 800° C, im Bereich von 500° C bis 700° C oder im Bereich von 500° C bis 600° C liegen. Je höher die Schichtbildungstemperatur ist, desto besser ist die Reinheit der Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 oder der ersten Elektrodenschicht 2, desto höher ist die Kristallinität der piezoelektrischen Dünnschicht 3, und desto wahrscheinlicher ist es, dass der Grad der Orientierung der Kristallebenen zunimmt. In einem Fall, in dem die Schichtbildungstemperatur übermäßig hoch ist, ist es wahrscheinlich, dass Bi oder K aus der piezoelektrischen Dünnschicht 3 desorbiert wird, und es ist schwierig, die Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 zu kontrollieren.
  • Bei dem PLD-Verfahren kann der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer beispielsweise mehr als 10 mTorr und weniger als 400 mTorr, 15 mTorr bis 300 mTorr oder 20 mTorr bis 200 mTorr betragen. Mit anderen Worten: Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer kann z. B. mehr als 1 Pa und weniger als 53 Pa, 2 Pa bis 40 Pa oder 3 Pa bis 30 Pa betragen. Wenn der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des oben beschriebenen Bereichs gehalten wird, werden Bi, K, Ti, das Element M und Fe, die über dem Einkristallsubstrat 1 abgeschieden sind, wahrscheinlich ausreichend oxidiert. In einem Fall, in dem der Sauerstoffpartialdruck übermäßig hoch ist, wird die Wachstumsrate der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich abnehmen, und der Orientierungsgrad einer Kristallebene der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird wahrscheinlich abnehmen.
  • Beispiele für andere als die oben genannten Parameter, die im PLD-Verfahren gesteuert werden, sind die Laserschwingungsfrequenz, der Abstand zwischen dem Substrat und einem Ziel und dergleichen. Die Kristallstruktur und die Kristallorientierungseigenschaften der piezoelektrischen Dünnschicht 3 können wahrscheinlich durch die Steuerung der Parameter kontrolliert werden. Wenn beispielsweise die Laserschwingungsfrequenz 10 Hz oder weniger beträgt, wird der Grad der Orientierung der Kristallebene der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich zunehmen.
  • Nachdem die piezoelektrische Dünnschicht 3 gezüchtet wurde, kann eine Glühbehandlung (Heizbehandlung) für die piezoelektrische Dünnschicht 3 durchgeführt werden. Eine Temperatur (Glühtemperatur) der piezoelektrischen Dünnschicht 3 bei der Glühbehandlung kann beispielsweise im Bereich von 300° C bis 1000° C, im Bereich von 600° C bis 1000° C oder im Bereich von 850° C bis 1000° C liegen. Die piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Dünnschicht 3 werden durch die Glühbehandlung der piezoelektrischen Dünnschicht 3 tendenziell weiter verbessert. Insbesondere werden die piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich durch die Glühbehandlung bei 850° C bis 1000° C verbessert. Die Glühbehandlung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
  • Das Einkristallsubstrat 1 kann zum Beispiel ein Substrat sein, das aus einem Einkristall aus Si besteht, oder ein Substrat, das aus einem Einkristall eines Verbindungshalbleiters wie GaAs besteht. Das Einkristallsubstrat 1 kann ein Substrat sein, das aus einem Einkristall aus einem Oxid wie MgO oder einem Oxid vom Perowskit-Typ (z. B. SrTiO3) besteht. Eine Dicke des Einkristallsubstrats 1 kann z. B. 10 µm bis 1000 µm betragen. In einem Fall, in dem das Einkristallsubstrat 1 elektrisch leitfähig ist, muss die erste Elektrodenschicht 2 nicht vorhanden sein, da das Einkristallsubstrat 1 als Elektrode fungiert. Das heißt, das Einkristallsubstrat 1 mit elektrischer Leitfähigkeit kann z. B. ein Einkristall aus Niob-dotiertem SrTiO3 sein. Anstelle des Einkristallsubstrats 1 kann auch ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat verwendet werden.
  • Eine Kristallorientierung des Einkristallsubstrats 1 kann gleich einer Normalenrichtung einer Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 sein. Das heißt, die Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 kann parallel zu einer Kristallebene des Einkristallsubstrats 1 sein. Das Einkristallsubstrat 1 kann ein uniaxial orientiertes Substrat sein. Beispielsweise kann eine Kristallebene aus der Gruppe bestehend aus einer (100)-Ebene, einer (001)-Ebene, einer (110)-Ebene, einer (101)-Ebene und einer (111)-Ebene parallel zur Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 verlaufen. In einem Fall, in dem die (100)-Ebene des Einkristallsubstrats 1 (z. B. Si) parallel zur Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 ist, ist die (001)-Ebene des Oxids vom Perowskit-Typ in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wahrscheinlich in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert.
  • Wie oben beschrieben, kann die erste Zwischenschicht 5 zwischen dem Einkristallsubstrat 1 und der ersten Elektrodenschicht 2 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die erste Zwischenschicht 5 mindestens eine Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan (Ti), Chrom (Cr), Titanoxid (TiO2), Siliziumoxid (SiO2) und Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht. Wenn die erste Zwischenschicht 5 dazwischen liegt, wird die erste Elektrodenschicht 2 wahrscheinlich in engen Kontakt mit dem Einkristallsubstrat 1 kommen. Die erste Zwischenschicht 5 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der ersten Zwischenschicht 5 kann in einer Normalenrichtung zur Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 ausgerichtet sein. Sowohl die Kristallebene des Einkristallsubstrats 1 als auch die Kristallebene der ersten Zwischenschicht 5 können in der Normalenrichtung der Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 ausgerichtet sein. Ein Verfahren zur Bildung der ersten Zwischenschicht 5 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Die erste Zwischenschicht 5 kann ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerd-Elements enthalten. Wenn die erste Zwischenschicht 5 ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerdelements enthält, wird die erste Elektrodenschicht 2, die aus einem Platinkristall besteht, wahrscheinlich auf einer Oberfläche der ersten Zwischenschicht 5 gebildet, und eine (002)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 orientiert sein, und eine (200)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in einer Richtung in der Ebene der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 orientiert sein. Das Seltenerd-Element kann mindestens eine Art sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu). Die erste Zwischenschicht 5 kann aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (Y O23 -zugesetztes ZrO2) bestehen. Wenn die erste Zwischenschicht 5 aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht, wird die erste Elektrodenschicht 2, die aus dem Platinkristall besteht, wahrscheinlich auf einer Oberfläche der ersten Zwischenschicht 5 gebildet, und die (002)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 orientiert sein, die (200)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Richtung in der Ebene der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 orientiert sein. Aus demselben Grund kann die erste Zwischenschicht 5 eine erste Schicht aus ZrO2 und eine zweite Schicht aus Y O23 enthalten. Die erste Schicht kann direkt auf die Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 aufgebracht werden, die zweite Schicht kann direkt auf eine Oberfläche der ersten Schicht aufgebracht werden, und die erste Elektrodenschicht 2 kann direkt auf eine Oberfläche der zweiten Schicht aufgebracht werden.
  • Die erste Elektrodenschicht 2 kann beispielsweise aus mindestens einer Art von Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt (Platin), Pd (Palladium), Rh (Rhodium), Au (Gold), Ru (Ruthenium), Ir (Iridium), Mo (Molybdän), Ti (Titan), Ta (Tantal) und Ni (Nickel) besteht. Die erste Elektrodenschicht 2 kann zum Beispiel aus einem leitfähigen Metalloxid wie Strontiumruthenat (SrRuO3), Lanthannickelat (LaNiO3) und Lanthanstrontiumkobaltat ((La, Sr)CoO3) bestehen. Die erste Elektrodenschicht 2 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 2 kann in der Normalenrichtung der Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 ausgerichtet sein. Eine Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 2 kann ungefähr parallel zur Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 verlaufen. Sowohl die Kristallebene des Einkristallsubstrats 1 als auch die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 2 können in der Normalenrichtung der Oberfläche des Einkristallsubstrats 1 ausgerichtet sein. Die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 2 kann annähernd parallel zur Kristallebene des Perowskit-Oxids sein, das in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert ist. Eine Dicke der ersten Elektrodenschicht 2 kann z. B. 1 nm bis 1,0 µm betragen. Ein Verfahren zur Bildung der ersten Elektrodenschicht 2 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein. Im Falle des Druckverfahrens, des Spin-Coating-Verfahrens oder des Sol-Gel-Verfahrens kann eine Wärmebehandlung (Tempern) der ersten Elektrodenschicht 2 durchgeführt werden, um die Kristallinität der ersten Elektrodenschicht 2 zu erhöhen.
  • Die erste Elektrodenschicht 2 kann einen Platinkristall enthalten. Die erste Elektrodenschicht 2 kann nur aus dem Platinkristall bestehen. Der Platinkristall ist ein kubischer Kristall mit einer kubischflächenzentrierten Gitterstruktur. Eine (002)-Ebene des Platinkristalls kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ausgerichtet sein, und eine (200)-Ebene des Platinkristalls kann in der In-Ebene-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ausgerichtet sein. Mit anderen Worten, die (002)-Ebene des Platinkristalls kann annähernd parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 liegen, und die (200)-Ebene des Platinkristalls kann annähernd orthogonal zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 liegen. In einem Fall, in dem die (002)-Ebene und die (200)-Ebene des Platinkristalls, die die erste Elektrodenschicht 2 bilden, die oben beschriebenen Orientierungen aufweisen, ist es wahrscheinlich, dass die piezoelektrische Dünnschicht 3 epitaktisch auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 wächst, und eine Gitterspannung, die durch eine Gitterfehlanpassung zwischen der ersten Elektrodenschicht 2 und der piezoelektrische Dünnschicht 3 verursacht wird, wirkt wahrscheinlich auf die piezoelektrische Dünnschicht 3. Infolgedessen enthält die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall des Oxidtyps Perowskit, eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls ist wahrscheinlich bevorzugt in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert, und das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 hat wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P.
  • Die zweite Zwischenschicht 6 kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 2 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht 6 kann zum Beispiel mindestens eine Art enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SrRuO3, LaNiO3 und (La, Sr)CoO3 besteht. Wenn die zweite Zwischenschicht 6 dazwischen angeordnet ist, kann die piezoelektrische Dünnschicht 3 in engen Kontakt mit der ersten Elektrodenschicht 2 kommen. Die zweite Zwischenschicht 6 kann kristallin sein. In einem Fall, in dem die zweite Zwischenschicht 6 mindestens eine der beiden Schichten SrRuO3 und LaNiO3 enthält, ist es wahrscheinlich, dass eine Gitterspannung, die durch Gitterfehlanpassung zwischen der zweiten Zwischenschicht 6 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verursacht wird, auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 wirkt. Infolgedessen enthält die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich einen tetragonalen Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ, und die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls ist wahrscheinlich vorzugsweise in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert, und das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 hat wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P. Eine Kristallebene der zweiten Zwischenschicht 6 kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ausgerichtet sein. Sowohl die Kristallebene des Einkristallsubstrats 1 als auch die Kristallebene der zweiten Zwischenschicht 6 können in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 2 ausgerichtet sein. Ein Verfahren zur Bildung der zweiten Zwischenschicht 6 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Die zweite Elektrodenschicht 4 kann zum Beispiel aus mindestens einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta und Ni besteht. Die zweite Elektrodenschicht 4 kann z. B. aus mindestens einem leitfähigen Metalloxid bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LaNiO3, SrRuO3 und (La, Sr)CoO3 besteht. Die zweite Elektrodenschicht 4 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann in der Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3 orientiert sein. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann annähernd parallel zu einer Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht 3 verlaufen. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann annähernd parallel zur (001)-Ebene sein, die in der piezoelektrischen Dünnschicht 3 ausgerichtet ist. Eine Dicke der zweiten Elektrodenschicht 4 kann z. B. 1 nm bis 1,0 µm betragen. Ein Verfahren zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 4 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein. Im Falle des Druckverfahrens, des Spin-Coating-Verfahrens oder des Sol-Gel-Verfahrens kann eine Wärmebehandlung (Tempern) der zweiten Elektrodenschicht 4 durchgeführt werden, um die Kristallinität der zweiten Elektrodenschicht 4 zu erhöhen.
  • Eine dritte Zwischenschicht kann zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 angeordnet werden. Wenn die dritte Zwischenschicht dazwischen angeordnet ist, kommt die zweite Elektrodenschicht 4 wahrscheinlich in engen Kontakt mit der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen der kristallinen dritten Zwischenschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 wird die oben beschriebene Gitterspannung wahrscheinlich auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 wirken. Als Ergebnis wird die piezoelektrische Dünnschicht 3 wahrscheinlich den tetragonalen Kristall des Perowskit-Oxids enthalten, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls wird wahrscheinlich bevorzugt in der Dickenrichtung dn der piezoelektrische Dünnschicht 3 orientiert sein, und das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 wird wahrscheinlich eine hohe Resonanzfrequenz, ein großes d33,f und einen großen Leistungsindex P haben. Eine Zusammensetzung, eine Kristallstruktur und ein Herstellungsverfahren der dritten Zwischenschicht können die gleichen sein wie bei der zweiten Zwischenschicht 6.
  • Mindestens ein Teil oder die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 kann mit einer Schutzfolie beschichtet werden. Wenn das piezoelektrische Dünnschichtelement 10 mit der Schutzschicht beschichtet ist, wird beispielsweise die Feuchtigkeitsbeständigkeit des piezoelektrischen Dünnschichtelements 10 verbessert.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten des piezoelektrischen Dünnschichtelements gemäß dieser Ausführungsform sind vielfältig. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Dünnschichtelement in einem piezoelektrischen Wandler und einem piezoelektrischen Sensor verwendet werden. Das heißt, der piezoelektrische Wandler (z. B. ein Ultraschallwandler) gemäß dieser Ausführungsform kann das oben beschriebene piezoelektrische Dünnschichtelement enthalten. Der piezoelektrische Wandler kann zum Beispiel ein Ultraschallwandler wie ein Ultraschallsensor sein. Das piezoelektrische Dünnschichtelement kann zum Beispiel ein Harvester (Schwingungselement) sein. Wie oben beschrieben, beträgt der Leistungsindex P des piezoelektrischen Dünnschichtelements gemäß dieser Ausführungsform 10 % bis 80,1 %, die Resonanzfrequenz der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht ist relativ hoch, und ein dielektrischer Verlust bei der hohen Resonanzfrequenz wird unterdrückt. Zum Beispiel liegt die Resonanzfrequenz der Längsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht im Bereich von 0,10 GHz bis 2 GHz. Daher ist das piezoelektrische Dünnschichtelement gemäß dieser Ausführungsform für den Ultraschallwandler geeignet. Das piezoelektrische Dünnschichtelement kann ein piezoelektrischer Aktor sein. Der piezoelektrische Aktor kann in einer Kopfbaugruppe, einer Kopfstapel-Baugruppe oder einem Festplattentreiber verwendet werden. Der piezoelektrische Aktor kann in einem Druckkopf oder einem Tintenstrahldrucker verwendet werden. Der piezoelektrische Aktor kann ein piezoelektrischer Schalter sein. Der piezoelektrische Aktor kann in der Haptik eingesetzt werden. Das heißt, der piezoelektrische Aktuator kann in verschiedenen Geräten verwendet werden, bei denen eine Rückmeldung aufgrund der Hautempfindung (haptischer Sinn) erforderlich ist. Bei den Geräten, die eine Rückmeldung durch Hautempfindung erfordern, kann es sich beispielsweise um tragbare Geräte, Touchpads, Displays oder Gamecontroller handeln. Das piezoelektrische Dünnschichtelement kann ein piezoelektrischer Sensor sein. Bei dem piezoelektrischen Sensor kann es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Mikrofon, einen Gyrosensor, einen Drucksensor, einen Pulswellensensor, einen Blutzuckerspiegelsensor oder einen Stoßsensor handeln. Das piezoelektrische Dünnschichtelement kann ein BAW-Filter, ein Oszillator oder eine akustische Mehrlagenschicht sein. Ein mikroelektromechanisches System (MEMS) gemäß dieser Ausführungsform umfasst das oben beschriebene piezoelektrische Dünnschichtelement. Das heißt, das piezoelektrische Dünnschichtelement kann ein Teil oder die Gesamtheit des mikroelektromechanischen Systems sein. Beispielsweise kann das piezoelektrische Dünnschichtelement ein Teil oder die Gesamtheit eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) sein. Ein Produkt, auf das der piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler angewandt wird, kann beispielsweise ein biometrischer Authentifizierungssensor (Fingerabdruck-Authentifizierungssensor, Blutgefäß-Authentifizierungssensor o. Ä.), ein medizinischer Sensor (Blutdruckmessgerät, Blutgefäß-Bildsensor o. Ä.) oder ein Flugzeitsensor (ToF) sein. Liegt die Resonanzfrequenz bei etwa 0,1 GHz, wird die Dämpfung des piezoelektrischen Dünnschichtelements (z. B. des Blutzuckersensors) wahrscheinlich unterdrückt.
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ultraschallwandlers 10a, der ein Beispiel für ein piezoelektrisches Dünnschichtelement ist. Ein Querschnitt des Ultraschallwandlers 10a verläuft ungefähr parallel zur Dickenrichtung dn der piezoelektrischen Dünnschicht 3. Der Ultraschallwandler 10a kann Substrate 1a und 1b, die auf den Substraten 1a und 1b vorgesehene erste Elektrodenschicht 2, die auf die erste Elektrodenschicht 2 aufgebrachte piezoelektrische Dünnschicht 3 und die auf die piezoelektrische Dünnschicht 3 aufgebrachte zweite Elektrodenschicht 4 umfassen. Unter der piezoelektrischen Dünnschicht 3 kann ein akustischer Hohlraum 1c vorgesehen sein. Ein Ultraschallsignal wird durch Biegung oder Vibration der piezoelektrischen Dünnschicht 3 übertragen oder empfangen. Zwischen den Substraten 1a und 1b und der ersten Elektrodenschicht 2 kann eine erste Zwischenschicht eingefügt werden. Eine zweite Zwischenschicht kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 2 und der piezoelektrischen Dünnschicht 3 angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht kann zwischen der piezoelektrischen Dünnschicht 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 angeordnet sein.
  • Beispiele
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt.
  • (Beispiel 1)
  • Für die Herstellung des piezoelektrischen Dünnschichtelements aus Beispiel 1 wurde ein Einkristallsubstrat (Si-Wafer) aus Si verwendet. Eine (100)-Ebene aus Si war parallel zu einer Oberfläche des Einkristallsubstrats. Ein Durchmesser ϕ des Einkristallsubstrats betrug 3 Zoll. Eine Dicke des Einkristallsubstrats betrug 400 µm.
  • Auf der gesamten Oberfläche des Einkristallsubstrats wurde in einer Vakuumkammer eine kristalline erste Zwischenschicht bestehend aus ZrO2 und Y O23 gebildet. Die erste Zwischenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Eine Dicke der ersten Zwischenschicht betrug 30 nm.
  • Eine erste Elektrodenschicht, bestehend aus einem Pt-Kristall, wurde auf der gesamten Oberfläche der ersten Zwischenschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die erste Elektrodenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Eine Dicke der ersten Elektrodenschicht betrug 200 nm. Eine Temperatur (Schichtbildungstemperatur) des Einkristallsubstrats während des Prozesses der Bildung der ersten Elektrodenschicht wurde auf 500° C gehalten.
  • Eine Vielzahl von rechteckigen Stapelkörpern, die das Einkristallsubstrat, die erste Zwischenschicht und die erste Elektrodenschicht enthalten, wurden durch Zerschneiden eines nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Stapelkörpers hergestellt. Das heißt, eine Vielzahl von Stapelkörpern wurde als Proben für die später zu beschreibende Analyse und Messung hergestellt. Die Abmessungen jedes Stapelkörpers in einer Richtung orthogonal zur Stapelrichtung jedes Stapelkörpers wurden auf 10 mm eingestellt× 10 mm. Das heißt, die Abmessungen der piezoelektrischen Dünnschicht in einer Richtung orthogonal zur Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht wurden auf 10 mm× 10 mm eingestellt.
  • Ein Röntgenbeugungsmuster (XRD) der ersten Elektrodenschicht wurde durch Messung außerhalb der Ebene auf einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gemessen. Ein weiteres XRD-Muster der ersten Elektrodenschicht wurde durch eine Messung in der Ebene auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gemessen. Für die Messungen der XRD-Muster wurde ein von der Rigaku Corporation hergestelltes Röntgenbeugungsgerät (SmartLab) verwendet. Die Messbedingungen wurden so eingestellt, dass die Intensität jedes Peaks in den XRD-Mustern mindestens dreistellig über der Hintergrundintensität liegt. Ein Peak der gebeugten Röntgenstrahlung der (002)-Ebene eines Pt-Kristalls wurde durch die Out-of-Plane-Messung nachgewiesen. Das heißt, die (002)-Ebene des Pt-Kristalls war in einer Normalenrichtung zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ausgerichtet. Ein Peak eines gebeugten Röntgenstrahls einer (200)-Ebene des Pt-Kristalls wurde durch die In-Plane-Messung erfasst. Das heißt, die (200)-Ebene des Pt-Kristalls war in einer In-Ebene-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ausgerichtet.
  • Eine zweite Zwischenschicht, bestehend aus kristallinem LaNiO3, wurde auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die zweite Zwischenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Eine Dicke der zweiten Zwischenschicht betrug 50 nm.
  • Eine piezoelektrische Dünnschicht wurde auf der gesamten Oberfläche der zweiten Zwischenschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die piezoelektrische Dünnschicht wurde durch ein PLD-Verfahren hergestellt. Eine Dicke T der piezoelektrischen Dünnschicht aus Beispiel 1 wurde auf einen Wert eingestellt, der in der folgenden Tabelle 1 angegeben ist. Eine Temperatur (Schichtbildungstemperatur) des Einkristallsubstrats während des Prozesses der Bildung der piezoelektrischen Dünnschicht wurde bei 500° C gehalten. Ein Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer wurde während des Verfahrens zur Herstellung der piezoelektrischen Dünnschicht auf 10 Pa gehalten. Als Ausgangsmaterial für die piezoelektrische Dünnschicht wurde ein Target (ein gesinterter Körper aus einem Rohmaterialpulver) verwendet. Bei der Herstellung des Targets wurde das Mischungsverhältnis der Rohstoffpulver (Wismutoxid, Kaliumcarbonat, Titanoxid, Magnesiumoxid und Eisenoxid) entsprechend der gewünschten Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht eingestellt. Die gewünschte Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht aus Beispiel 1 wird durch die chemische Formel in der folgenden Tabelle 1 ausgedrückt. „BKT“ in der folgenden Tabelle 1 steht für (Bi0,5K0.50)TiO3. „BMT“ in der folgenden Tabelle 1 steht für Bi(Mg0.5Ti0.5)O3. „BFO“ steht in der nachstehenden Tabelle 1 für BiFeO3.
  • Ein Stapelkörper, der das Einkristallsubstrat, die erste Zwischenschicht, die auf dem Einkristallsubstrat aufgebracht ist, die erste Elektrodenschicht, die auf der ersten Zwischenschicht aufgebracht ist, die zweite Zwischenschicht, die auf der ersten Elektrodenschicht aufgebracht ist, und die piezoelektrische Dünnschicht, die auf der zweiten Zwischenschicht aufgebracht ist, enthält, wurde durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt.
  • <Analyse der Zusammensetzung>
  • Die Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht wurde mit Hilfe einer Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF-Methode) untersucht. Für die Analyse wurde ein von Philips Japan, Ltd. hergestelltes Gerät PW2404 verwendet. Die Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht von Beispiel 1, die durch die Analyse bestimmt wurde, entsprach der chemischen Formel in der folgenden Tabelle 1.
  • <Analyse der Kristallstruktur>
  • Ein XRD-Muster der piezoelektrischen Dünnschicht wurde durch Messung außerhalb der Ebene auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht gemessen. Ein weiteres XRD-Muster der piezoelektrischen Dünnschicht wurde durch eine Messung in der Ebene auf der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht gemessen. Das Messgerät und die Messbedingungen für die XRD-Muster waren ähnlich wie oben beschrieben.
  • Die XRD-Muster der piezoelektrischen Dünnschicht zeigten, dass die piezoelektrische Dünnschicht von einem Oxid vom Perowskit-Typ zusammengesetzt ist. Ein Peak der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des Perowskit-Oxids wurde durch die Out-of-Plane-Messung entdeckt. Das heißt, die (001)-Ebene des Perowskit-Oxids war in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht ausgerichtet (eine Normalenrichtung der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht).
  • Eine Gitterkonstante c des Perowskit-Oxids in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht (die Normalenrichtung der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht) wurde durch die Messung außerhalb der Ebene ermittelt. Die Gitterkonstante c kann auch als Intervall einer Kristallebene in der Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht bezeichnet werden. Eine Gitterkonstante a des Oxids vom Perowskit-Typ in einer Richtung parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht wurde durch die Messung in der Ebene ermittelt. Die Gitterkonstante a kann auch als ein Intervall einer Kristallebene orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht bezeichnet werden. a war kleiner als c. Das heißt, das in der piezoelektrischen Dünnschicht enthaltene Oxid vom Perowskit-Typ war ein tetragonaler Kristall. c/a in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
  • <Messung des Elastizitätsmoduls Y>
  • Ein Elastizitätsmodul Y der piezoelektrischen Dünnschicht wurde mit einer Nanoindentationsmethode gemessen. Der oben beschriebene Stapelkörper wurde als Messprobe verwendet. Die Messung des Elastizitätsmoduls durch die Nanoindentationsmethode basiert auf der internationalen Norm ISO 14577. Für die Messung des Elastizitätsmoduls Y wurde ein Nanoindenter (Gerätebezeichnung: TI 950 TriboIndenter) der Firma Hysitron Inc. verwendet. Der Elastizitätsmodul Y in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
  • <Messung der piezoelektrischen Dehnungskonstante d33,f>
  • Eine piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f der piezoelektrischen Dünnschicht wurde auf der Grundlage der folgenden Methode bestimmt.
  • Eine Probe zur Messung von d33,f wurde aus dem oben beschriebenen Stapelkörper hergestellt. Auf der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht wurde eine Vielzahl von punktförmigen Elektroden gebildet, die in einem Gittermuster angeordnet waren. Die punktförmigen Elektroden bestanden aus Silber. Ein Durchmesser ϕ jeder punktförmigen Elektrode betrug 100 µm. Der Abstand zwischen den punktförmigen Elektroden betrug 300 µm. Ein elektrisches Feld (Spannung) wurde zwischen jeder punktförmigen Elektrode und der ersten Elektrodenschicht angelegt, und das Ausmaß der Verschiebung der piezoelektrischen Dünnschicht und des Einkristallsubstrats in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht in Übereinstimmung mit dem Anlegen des elektrischen Feldes wurde gemessen. Die Intensität des elektrischen Feldes betrug 10 V/µm. Die Auslenkung der piezoelektrischen Dünnschicht und des Einkristallsubstrats wurde mit einem Laser-Doppler-Schwingungsmesser gemessen. Der Stapelkörper mit der piezoelektrischen Dünnschicht und dem Einkristallsubstrat wurde zwischen einem ersten Laserstrahl und einem zweiten Laserstrahl angeordnet. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl befanden sich auf derselben geraden Linie und die Ausbreitungsrichtungen des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls waren einander zugewandt. Die Ausbreitungsrichtung des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls verlief jeweils parallel zur Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht. Die Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht wurde mit dem ersten Laserstrahl und die Oberfläche des Einkristallsubstrats (d. h. die Rückseite des Stapelkörpers) mit dem zweiten Laserstrahl bestrahlt. Eine Differenz zwischen dem Betrag der durch den ersten Laserstrahl gemessenen Verschiebung und dem Betrag der durch den zweiten Laserstrahl gemessenen Verschiebung wurde gleichzeitig gemessen, um einen Einfluss aufgrund des Einkristallsubstrats auszuschließen, und ein Betrag der reinen Verschiebung in einer Dickenlängsrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht wird erhalten. d33,f wurde aus dem Betrag der Änderung der Dicke T der piezoelektrischen Dünnschicht und der Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke davon berechnet. d33,f von Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
  • <Messung der relativen Permittivität ε33 und des dielektrischen Verlusts>
  • Eine elektrostatische Kapazität C und ein dielektrischer Verlust (tan δ) wurden mit einer ähnlichen Probe wie bei der Messung von d33,f gemessen. Die Einzelheiten der Messung der elektrostatischen Kapazität C und tan δ wurden wie folgt festgelegt.
    • Messgerät: LCR-Messgerät (E4980A), hergestellt von Agilent Technologies, Inc.
    • Frequenz: 10 kHz
    • Elektrisches Feld: 1 V/ µm
  • Die relative Permittivität εr wurde aus dem Messwert einer elektrostatischen Kapazität C auf der Grundlage der folgenden mathematischen Formel A berechnet. ε0 in der mathematischen Formel A ist die Permittivität des Vakuums (8,854 × 10-12 Fm-1). S in der mathematischen Formel A ist eine Fläche der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht. S kann auch als Gesamtfläche der punktförmigen Elektroden (Silberelektroden) bezeichnet werden, die auf der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht aufgebracht sind. T in der mathematischen Formel A ist die Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht. C = ε 0 × ε r × ( S/T )
    Figure DE112022002911T5_0001
  • Die relative Permittivität εr, die durch die oben beschriebene Methode bestimmt wurde, wurde als ε33 betrachtet. ε33 und tan δ in Beispiel 1 sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
  • Die folgenden Prozesse wurden weiterhin unter Verwendung des Stapelkörpers (d.h. eines Stapelkörpers ohne die punktförmige Elektrode aus Silber) durchgeführt, der das Einkristallsubstrat, die erste Zwischenschicht, die erste Elektrodenschicht, die zweite Zwischenschicht und die piezoelektrische Dünnschicht enthält.
  • Eine dritte Zwischenschicht, bestehend aus kristallinem LaNiO3, wurde auf der gesamten Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die dritte Zwischenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Eine Dicke der dritten Zwischenschicht betrug 50 nm.
  • Eine zweite Elektrodenschicht, bestehend aus Pt, wurde auf der gesamten Oberfläche der dritten Zwischenschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die zweite Elektrodenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Eine Temperatur des Einkristallsubstrats wurde während des Verfahrens zur Bildung der zweiten Elektrodenschicht bei 500° C gehalten. Eine Dicke der zweiten Elektrodenschicht betrug 200 nm.
  • Durch die oben beschriebenen Prozesse wurde ein Stapelkörper hergestellt, der das Einkristallsubstrat, die erste Zwischenschicht, die auf das Einkristallsubstrat aufgebracht ist, die erste Elektrodenschicht, die auf die erste Zwischenschicht aufgebracht ist, die zweite Zwischenschicht, die auf die erste Elektrodenschicht aufgebracht ist, die piezoelektrische Dünnschicht, die auf die zweite Zwischenschicht aufgebracht ist, die dritte Zwischenschicht, die auf die piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht ist, und die zweite Elektrodenschicht, die auf die dritte Zwischenschicht aufgebracht ist, enthält. Die Strukturierung der gestapelten Struktur auf dem Einkristallsubstrat erfolgte durch anschließende Fotolithografie. Nach der Strukturierung wurde der Stapelkörper durch Würfeln herausgeschnitten.
  • Ein rechteckiges piezoelektrisches Dünnschichtelement aus Beispiel 1 wurde durch die oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Das piezoelektrische Dünnschichtelement enthielt das Einkristallsubstrat, die erste Zwischenschicht, die auf das Einkristallsubstrat aufgebracht war, die erste Elektrodenschicht, die auf die erste Zwischenschicht aufgebracht war, die zweite Zwischenschicht, die auf die erste Elektrodenschicht aufgebracht war, die piezoelektrische Dünnschicht, die auf die zweite Zwischenschicht aufgebracht war, die dritte Zwischenschicht, die auf die piezoelektrische Dünnschicht aufgebracht war, und die zweite Elektrodenschicht, die auf die dritte Zwischenschicht aufgebracht war.
  • <Messung der piezoelektrischen Spannungskonstante -e31,f >
  • Als piezoelektrisches Dünnschichtelement wurde eine rechteckige Probe (Cantilever) präpariert, um eine piezoelektrische Spannungskonstante -e31,f der piezoelektrischen Dünnschicht zu messen. Die Abmessungen der Probe waren 2 mm (Breite)× 10 mm (Länge). Die Abmessungen der einzelnen Elektrodenschichten waren 1,6 mm (Breite)× 6 mm (Länge). Die Probe war bis auf die Abmessungen identisch mit dem piezoelektrischen Dünnschichtelement aus Beispiel 1. Für die Messung wurde ein selbstgebautes Auswertesystem verwendet. Ein Ende der Probe war fixiert, das andere Ende der Probe war ein freies Ende. Die Auslenkung des freien Endes der Probe wurde mit einem Laser gemessen, während eine Spannung an die piezoelektrische Dünnschicht in der Probe angelegt wurde. Anschließend wurde die piezoelektrische Konstante -e31,f anhand der folgenden mathematischen Formel B berechnet. Es in der mathematischen Formel B ist der Elastizitätsmodul des Einkristallsubstrats. hs ist die Dicke des Einkristallsubstrats. L ist die Länge der Probe (Cantilever).vs ist die Poissonzahl des Einkristallsubstrats.δout ist eine Ausgangsverschiebung, die auf dem gemessenen Verschiebungsbetrag basiert. Vin ist eine an die piezoelektrische Dünnschicht angelegte Spannung. Eine Frequenz eines elektrischen Wechselfeldes (Wechselspannung) bei der Messung der piezoelektrischen Konstante -e31,f betrug 100 Hz. Ein Höchstwert der an die piezoelektrische Dünnschicht angelegten Spannung betrug 50 V. Eine Einheit von -e31,f ist C/m2. -e31,f in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.
    [Mathematische Formel 1] − e 31, f = E s h s 2 3 L 2 ( 1 − ν s ) ⋅ δ o u t V i n
    Figure DE112022002911T5_0002
  • Ein Leistungsindex P (d.h. (d33,f)2 × Y/ε) in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. -e31,f/e33 in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. e33 wurde durch das Produkt (d33,f× Y) der Messwerte von d33,f und Y berechnet.
  • <Messung der Resonanzfrequenz fr >
  • Ein Stapelkörper, der ein SOI-Substrat, die erste Zwischenschicht, die erste Elektrodenschicht, die zweite Zwischenschicht, die piezoelektrische Dünnschicht, die dritte Zwischenschicht und die zweite Elektrodenschicht enthält, wurde nach einem ähnlichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das SOI-Substrat anstelle des Si-Wafers verwendet wurde. Das SOI-Substrat enthielt ein Trägermaterial, das aus Si bestand, eine BOX-Schicht (eine Isolierschicht, die aus SiO2 bestand), die auf das Trägermaterial aufgebracht war, und eine Siliziumschicht (eine Schicht, die aus einem Einkristall aus Si bestand), die auf die BOX-Schicht aufgebracht war. Die erste Zwischenschicht, die erste Elektrodenschicht, die zweite Zwischenschicht, die piezoelektrische Dünnschicht, die dritte Zwischenschicht und die zweite Elektrodenschicht wurden nacheinander auf die Siliziumschicht des SOI-Substrats gebracht. Nach der Herstellung des Stapelkörpers wurden das Trägermaterial und die BOX-Schicht, die das SOI-Substrat bilden, geätzt, um die Siliziumschicht teilweise freizulegen. Eine Probe (piezoelektrisches Dünnschichtelement) mit der Membranstruktur von Beispiel 1 wurde durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt. Die Abmessungen der Probe (ein Bereich der piezoelektrischen Dünnschicht) wurden auf 20 mm× 20 mm eingestellt. Eine Resonanzfrequenz fr der Probe wurde gemessen. Die Resonanzfrequenz fr ist eine Frequenz, bei der die Impedanz eines Resonanzkreises, der die Probe verwendet, am kleinsten ist. Die Details der Messung der Resonanzfrequenz fr lauten wie folgt. Die Resonanzfrequenz fr in Beispiel 1 ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
    • Messgerät: Netzwerkanalysator (N5244A), hergestellt von Agilent Technologies, Inc.
    • Sonde: GS 500 µm (ACP40-W-GS-500, hergestellt von Cascade Microtech, Inc.)
    • Leistung: -10 dBm
    • Messabstand: 0,25 MHz
    • Elektrodenfläche: 200× 200 µm2
    • S11-Messung (Reflexionsmessung)
  • (Beispiele 2 bis 9 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5)
  • Eine piezoelektrische Dünnschicht aus den Beispielen 2 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 wurde unter Verwendung eines Targets mit der in der folgenden Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzung gebildet. „PZT“ steht in der folgenden Tabelle 1 für Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 . Die Dicke T jeder der piezoelektrischen Dünnschichten der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde auf einen in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Wert eingestellt. Das piezoelektrische Dünnschichtelement der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde nach einem ähnlichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben beschriebenen Punkte.
  • Die XRD-Muster der ersten Elektrodenschicht der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurden mit einer ähnlichen Methode wie in Beispiel 1 gemessen. Sogar in jedem Fall der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 war eine (002)-Ebene eines Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildet, in einer Normalenrichtung einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert, und eine (200)-Ebene des Pt-Kristalls war in einer In-Ebene-Richtung einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Eine Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde mit einer ähnlichen Methode wie in Beispiel 1 analysiert. Auch in jedem der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 entsprach die Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht einer chemischen Formel in der folgenden Tabelle 1.
  • Die XRD-Muster der piezoelektrischen Dünnschicht von jedem der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurden mit einer ähnlichen Methode wie in Beispiel 1 gemessen. Die XRD-Muster der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 zeigen ebenfalls, dass die piezoelektrische Dünnschicht von einem Metalloxid mit Perowskitstruktur zusammengesetzt ist. Auch in jedem der Beispiele 2 bis 9 war das in der piezoelektrischen Dünnschicht enthaltene Oxid vom Perowskit-Typ ein tetragonaler Kristall. Auch in einem der Beispiele 2 bis 9 war eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls in einer Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht orientiert.
  • c/a, die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f, der Elastizitätsmodul Y, die relative Permittivität ε33, der dielektrische Verlust (tan δ), die Resonanzfrequenz fr und der Leistungsindex P von jedem der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurden nach einer ähnlichen Methode wie in Beispiel 1 gemessen oder berechnet. c/a, d33,f, Y, ε33, tan δ, fr und der Leistungsindex P der Beispiele 2 bis 9 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
    • -e31,f und -e31,f/e33 von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 wurden nach einer ähnlichen Methode wie in Beispiel 1 gemessen oder berechnet. -e31,f und -e31,f/e33 von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.
    [Tabelle 1]
    Tabelle 1 Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht Dicke T [µm] fr [GHz] d33,f [pm/V] c/a [-] ε33 [-] tan δ Y [GPa] Leistungsindex P [-]
    VergleichsBeispiel 5 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 10,0 0,05 93 1,14 90 0,3% 76 82,7%
    Beispiel 9 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 5,0 0,10 91 1,14 89 0,3% 76 80,1%
    Beispiel 3 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 3,0 0,17 89 1,13 89 0,3% 76 76,6%
    Beispiel 1 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 2,0 0,26 90 1,13 87 0,4% 76 80,1%
    Beispiel 4 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 1,0 0,52 85 1,13 98 0,6% 76 64,2%
    Beispiel 5 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 0,5 1,04 81 1,14 107 0,7% 76 53,3%
    Beispiel 6 0.45BKT-0.45BMT-0.10BFO 3,0 0,20 69 1,05 135 0,4% 94 37,4%
    Beispiel 2 0.45BKT-0.45BMT-0.10BFO 2,0 0,29 71 1,05 129 0,4% 94 41,4%
    Beispiel 7 0.45BKT-0.45BMT-0.10BFO 1,0 0,59 56 1,06 140 0,7% 94 23,8%
    Beispiel 8 0.45BKT-0.45BMT-0.10BFO 0,5 1,17 47 1,07 155 0,9% 94 15,1%
    VergleichsBeispiel 1 PZT 3,0 0,20 55 1,02 525 1,5% 118 7,6%
    VergleichsBeispiel 2 PZT 2,0 0,31 46 1,01 588 2,0% 118 4,8%
    VergleichsBeispiel 3 PZT 1,0 0,61 32 1,01 654 2,4% 118 2,1%
    VergleichsBeispiel 4 PZT 0,5 1,22 25 1,00 790 3,3% 118 1,0%
    [Tabelle 2]
    Tabelle 2 Zusammensetzung der piezoelektrischen Dünnschicht d33,f [pm/V] -e31,f [C/m2] Y [GPa] ε33 [-] tan δ Leistungsindex P [-] -e31,f /e33 [-]
    Beispiel 1 0.25BKT-0.25BMT-0.50BFO 90 5,2 76 87 0,3% 80,1% 0,8
    Beispiel 2 0.45BKT-0.45BMT-0.10BFO 71 4,4 94 129 0,4% 41,4% 0,7
    VergleichsBeispiel 1 PZT 55 11,6 118 525 1,5% 7,6% 1,8
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das piezoelektrische Dünnschichtelement gemäß einem Aspekt der Erfindung kann beispielsweise für einen piezoelektrischen Wandler, einen piezoelektrischen Aktor und einen piezoelektrischen Sensor verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10: piezoelektrisches Dünnschichtelement, 10a: Ultraschallwandler, 1: Einkristallsubstrat, 2: erste Elektrodenschicht, 3: piezoelektrische Dünnschicht, 4: zweite Elektrodenschicht, 5: erste Zwischenschicht, 6: zweite Zwischenschicht, DN: Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, dn: Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht (Normalenrichtung der Oberfläche der piezoelektrischen Dünnschicht), uc: Einheitszelle des Metalloxids (tetragonaler Kristall) mit Perowskitstruktur.

Claims (10)

  1. Ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, umfassend: eine erste Elektrodenschicht; eine piezoelektrische Dünnschicht, die auf der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist; und eine zweite Elektrodenschicht, die auf der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet ist, wobei ein Leistungsindex P der piezoelektrischen Dünnschicht definiert ist als (d33,f)2 × Y/ε, d33,f eine piezoelektrische Dehnungskonstante der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht ist, Y ein Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Dünnschicht ist, ε eine Permittivität der piezoelektrischen Dünnschicht ist und der Leistungsindex P im Bereich von 10 % bis 80,1 % liegt.
  2. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 1, wobei -e31,f/e33 der piezoelektrischen Dünnschicht größer als 0 und 0,80 oder kleiner ist.
  3. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens eine Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht angeordnet ist, und die Zwischenschicht mindestens eine zwischen SrRuO3 und LaNiO3 enthält.
  4. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Dünnschicht ein Metalloxid mit einer Perowskitstruktur enthält, das Metalloxid Wismut, Kalium, Titan, Eisen und ein Element M enthält, und das Element M mindestens ein Element zwischen Magnesium und Nickel ist.
  5. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 4, wobei die piezoelektrische Dünnschicht einen tetragonalen Kristall des Metalloxids enthält, und eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls in einer Dickenrichtung der piezoelektrischen Dünnschicht ausgerichtet ist.
  6. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 5, wobei ein Intervall der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls c ist, ein Intervall einer (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls a ist, und c/a im Bereich von 1,05 bis 1,20 liegt.
  7. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der piezoelektrischen Dünnschicht im Bereich von 0,3 µm bis 10 µm liegt.
  8. Das piezoelektrische Dünnschichtelement nach Anspruch 1, wobei eine Resonanzfrequenz der Dickenlängsschwingung der piezoelektrischen Dünnschicht im Bereich von 0,10 GHz bis 2 GHz liegt.
  9. Ein mikroelektromechanisches System, umfassend: das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Ein Ultraschallwandler, umfassend: das piezoelektrische Dünnschichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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