DE112022003096T5

DE112022003096T5 - Verbundsubstrat und Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats

Info

Publication number: DE112022003096T5
Application number: DE112022003096.8T
Authority: DE
Inventors: Yudai Uno; Tomoyoshi Tai; Masahiko Namerikawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2024-04-18
Also published as: JPWO2023026888A1; CN117859417A; WO2023026888A1; TW202316692A

Abstract

Es wird ein Verbundsubstrat bereitgestellt, bei dem das Auftreten von Verwerfungen unterdrückt wird. Das Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: ein Trägersubstrat; und einen piezoelektrischen Film, der über dem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film eine polykristalline Substanz mit einem Grad der c-Achsen-Orientierung, bestimmt durch ein Lotgering-Verfahren, von 80 % oder weniger enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats.
Technischer Hintergrund
Im Flüssigtropfenausstoßkopf einer Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung wurde ein piezoelektrischer Aktuator, der einen elektromechanischen Umwandlungsfilm in Schwingung versetzt, praktisch eingesetzt. In den letzten Jahren wurde erwartet, dass der piezoelektrische Aktuator auch in anderen Bereichen eingesetzt wird (z.B. in einer MEMS-Spiegelvorrichtung für ein Head-up-Display). In einem piezoelektrischen Element, das in dem piezoelektrischen Aktuator verwendet wird, wird beispielsweise, wie in Patentliteratur 1 offenbart, ein Verbundsubstrat verwendet, das eine auf einem Substrat gebildete untere Elektrode, eine auf der unteren Elektrode gebildete piezoelektrische Schicht und eine auf dem piezoelektrischen Film gebildete obere Elektrode enthält. Ein weiteres Beispiel ist das in der Patentliteratur 2 offenbarte piezoelektrische Element, bei dem ein piezoelektrischer Körper mit einer oberen und einer unteren Elektrode und ein Trägersubstrat durch einen Klebstoff miteinander verbunden sind.
Zitatenliste
Patentliteratur

[PTL 1] WO 2017/043383 A1
[PTL 2] JP 5525351 B2

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn das in der Patentliteratur 1 beschriebene Verfahren zur Herstellung des vorstehend erwähnten Verbundsubstrats verwendet wird, besteht jedoch das Problem, dass eine Verwerfung auftreten kann. Das Auftreten einer Verwerfung führt zu einer Verringerung der Ausbeute. Bei Verwendung des in Patentliteratur 2 offenbarten Verfahrens kann zwar das Auftreten von Verwerfungen unterdrückt werden, aber es ist schwierig, die Dicke des piezoelektrischen Körpers zu verringern, und daher ist es schwierig, ein solches Verfahren z.B. auf einen piezoelektrischen Antrieb mit niedriger Spannung anzuwenden. Außerdem wird ein Klebstoff (in der Regel ein organischer Klebstoff) verwendet und so bestehen Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehenden Ausführungen und eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundsubstrat bereitzustellen, bei dem das Auftreten einer Verwerfung unterdrückt wird.
Lösung des Problems

1. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundsubstrat bereitgestellt, enthaltend: ein Trägersubstrat; und einen piezoelektrischen Film, der über dem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film eine polykristalline Substanz mit einem durch ein Lotgering-Verfahren bestimmten Grad der c-Achsen-Orientierung von 80 % oder weniger enthält.
2. Das Verbundsubstrat gemäß dem vorstehend erwähnten Punkt 1 kann weiterhin eine Verbindungsschicht enthalten, die zwischen dem Trägersubstrat und dem piezoelektrischen Film angeordnet ist. Die Verbindungsschicht kann eine amorphe Substanz enthalten.
3. In dem Verbundsubstrat gemäß dem vorstehend erwähnten Punkt 1 oder 2 kann der piezoelektrische Film eine Verbindung auf PZT-Basis enthalten.
4. In dem Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 3 kann der piezoelektrische Film ein ternäres PZT enthalten.
5. In dem Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 4 kann der piezoelektrische Film einen Sinterkörper enthalten.
6. In dem Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 5 kann der piezoelektrische Film eine Dicke von 0,3 µm oder mehr und 100 µm oder weniger aufweisen.
7. Das Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 6 kann weiterhin eine Elektrode enthalten, die zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnet ist. Die Elektrode kann eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine dritte Elektrodenschicht enthalten, und ein Material zur Bildung der ersten Elektrodenschicht und ein Material zur Bildung der dritten Elektrodenschicht können im Wesentlichen identisch sein.
8. Das Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 7 kann weiterhin eine Elektrode enthalten, die zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnet ist. Die Elektrode kann eine amorphe Substanz enthalten.
9. Das Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 8 kann weiterhin eine argonhaltige amorphe Schicht enthalten, die zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnet ist und Argon enthält.
10. In dem Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 9 kann das Trägersubstrat eine amorphe Region aufweisen, die in einem Endabschnitt davon auf einer Oberseite ausgebildet ist, und die amorphe Region kann eine Dicke von 2 nm bis 30 nm aufweisen.
11. In dem Verbundsubstrat gemäß dem vorstehend erwähnten Punkt 10 kann die amorphe Region Argon enthalten, und die amorphe Region kann eine Argonkonzentration von 0,5 atm% bis 30 atm% aufweisen.
12. Das Verbundsubstrat gemäß einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 11 kann eine Gesamtdickenvariation von 10 µm oder weniger aufweisen.
13. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine piezoelektrische Vorrichtung bereitgestellt, die das Verbundsubstrat aus einem der vorstehend erwähnten Punkte 1 bis 12 enthält.
14. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats bereitgestellt, das das Herstellen eines piezoelektrischen Substrats, das einen Sinterkörper enthält; und Verbinden des piezoelektrischen Substrats und eines Trägersubstrats miteinander beinhaltet.
15. Das Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats gemäß dem vorstehend erwähnten Punkt 14 kann weiterhin die Bildung einer Verbindungsschicht auf dem piezoelektrischen Substrat bei 300°C oder weniger umfassen.
16. Das Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats gemäß dem vorstehend erwähnten Punkt 14 oder 15 kann weiterhin die Herstellung einer Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat bei 300°C oder weniger beinhalten.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verbundsubstrat bereitgestellt werden, bei dem das Auftreten einer Verwerfung unterdrückt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A ist eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren für ein Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform.
4B ist eine Ansicht im Anschluss an 4A.
4C ist eine Ansicht im Anschluss an 4B.
5A ist eine TEM-Querschnittsaufnahme (Vergrößerung: 50000) eines Verbundsubstrats von Beispiel 4.
5B ist eine TEM-Querschnittsaufnahme (Vergrößerung: 400000) des Verbundsubstrats von Beispiel 4.
5C ist eine TEM-Querschnittsaufnahme (Vergrößerung: 2000000) des Verbundsubstrats von Beispiel 4.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus kann, um die Beschreibung weiter zu verdeutlichen, die Breite, Dicke, Form und dergleichen von jedem Abschnitt schematisch in den Zeichnungen im Vergleich zu den Ausführungsformen dargestellt werden, aber die Erläuterung ist lediglich ein Beispiel und schränkt die Auslegung der vorliegenden Erfindung nicht ein.
A. Verbundsubstrat
1 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verbundsubstrat 100 enthält ein Trägersubstrat 10, eine Verbindungsschicht 20, eine Elektrode (untere Elektrode) 30 und einen piezoelektrischen Film 40 in der angegebenen Reihenfolge. Im dargestellten Beispiel enthält die untere Elektrode 30 eine erste untere Elektrodenschicht 31, eine zweite untere Elektrodenschicht 32 und eine dritte untere Elektrodenschicht 33 in der angegebenen Reihenfolge von der Seite des piezoelektrischen Films 40 aus.
Das Verbundsubstrat 100 kann weiterhin jede geeignete Schicht (nicht dargestellt) enthalten. Die Arten, die Funktionen, die Anzahl, die Kombination, die Anordnung und dergleichen solcher Schichten können in Übereinstimmung mit den Zwecken angemessen festgelegt werden. Beispielsweise kann das Verbundsubstrat 100 eine Elektrode (obere Elektrode) enthalten, die auf dem piezoelektrischen Film 40 angeordnet ist. Das Verbundsubstrat 100 wird typischerweise als Aktuator verwendet und auf der oberen Elektrode ist beispielsweise eine Verdrahtungsschicht ausgebildet.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verbundsubstrat 110 enthält das Trägersubstrat 10, die Verbindungsschicht 20 und den piezoelektrischen Film 40 in der angegebenen Reihenfolge. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Elektrode 30 in der ersten Ausführungsform zwischen dem Trägersubstrat 10 (Verbindungsschicht 20) und dem piezoelektrischen Film 40 angeordnet ist, während die Elektrode 30 in der zweiten Ausführungsform nicht angeordnet ist. So kann das Verbundsubstrat 110 eine Elektrode (obere Elektrode) enthalten, die auf dem piezoelektrischen Film 40 angeordnet ist.
3 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der schematischen Konfiguration eines Verbundsubstrats gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verbundsubstrat 120 enthält das Trägersubstrat 10 und den piezoelektrischen Film 40. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Verbindungsschicht 20 in der zweiten Ausführungsform zwischen dem Trägersubstrat 10 und dem piezoelektrischen Film 40 angeordnet ist, jedoch ist die Verbindungsschicht 20 in der dritten Ausführungsform nicht angeordnet. Wenn die Verbindungsschicht 20 weggelassen wird, kann eine später beschriebene amorphe Region in einem Endabschnitt dem piezoelektrischen Film 40 auf der Seite des Trägersubstrats 10 gebildet werden, obwohl die Region nicht dargestellt ist.
In einer Ausführungsform kann in dem Verbundsubstrat 110, 120 beispielsweise eine Elektrode (untere Elektrode) auf einer freiliegenden Oberfläche des piezoelektrischen Films 40 gebildet werden, die durch Entfernen des Trägersubstrats 10 und der Verbindungsschicht 20 durch Ätzen oder dergleichen gebildet wird.
Das Verbundsubstrat kann in jeder geeigneten Form hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann das Substrat in Form eines sogenannten Wafers hergestellt werden. Die Größe des Verbundsubstrats kann je nach Verwendungszweck entsprechend festgelegt werden. Der Durchmesser des Wafers ist beispielsweise von 50 mm bis 150 mm.
Die Gesamtdickenvariation (TTV) des Verbundsubstrats beträgt vorzugsweise 10 µm oder weniger, bevorzugter 5 µm oder weniger, noch bevorzugter 2 µm oder weniger.
A-1. Piezoelektrischer Film
Der piezoelektrische Film enthält eine polykristalline Substanz. Die polykristalline Substanz ist nicht orientiert. Der Begriff „nicht orientiert“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen durch ein Lotgering-Verfahren bestimmten Grad der c-Achsen-Orientierung von 80 % oder weniger, vorzugsweise 60 % oder weniger, bevorzugter 40 % oder weniger, noch bevorzugter 20 % oder weniger, besonders bevorzugt 10 % oder weniger. Der piezoelektrische Film enthält typischerweise einen Sinterkörper. Eine Korngrenze wird in dem piezoelektrischen Film zum Beispiel durch TEM-Beobachtung erkannt. Ein Verbundsubstrat, bei dem das Auftreten einer Verwerfung unterdrückt wird, kann durch Anpassen einer solchen Konfiguration erhalten werden. Insbesondere kann der piezoelektrische Film unabhängig gebildet werden und daher wird beispielsweise keine innere Spannung durch eine Wechselwirkung mit einem anderen Bauteil zum Zeitpunkt der Bildung des piezoelektrischen Films erzeugt. Wenn der piezoelektrische Film eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält, erhöht sich außerdem die Auswahl an Materialien für die Bildung des piezoelektrischen Films und es können verschiedene Eigenschaften unterstützt werden. Insbesondere können Eigenschaften wie eine piezoelektrische Konstante, eine Dielektrizitätskonstante, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient und eine Curie-Temperatur je nach Bedarf fein eingestellt werden. Wenn der piezoelektrische Film eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält, kann der piezoelektrische Film außerdem kostengünstig hergestellt werden und eine solche Konfiguration kann zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines zu erhaltenden Verbundsubstrats beitragen.
Der vorstehend erwähnte Grad der c-Achsen-Orientierung, der durch ein Lotgering-Verfahren bestimmt wird, ist ein Grad der Orientierung der (001)-Ebene F_(00I), der unter Verwendung der folgenden Ausdrücke aus einem XRD-Profil berechnet wird, das durch Messung mit einer Röntgenbeugungseinrichtung erhalten wurde. $F_{(00 I)} = (p - p_{0}) / (1 - p_{0}) \times 100$
$p = \sum I (001) / \sum I (hkl)$
$p = \sum I_{0} (001) / \sum I_{0} (hkl)$
(l und l₀ stellen jeweils eine Beugungsintensität dar, und „p“ und p₀ werden jeweils aus dem Verhältnis der Beugungsintensitäten, die von einer c-Achsen-Beugungsebene (001) abgeleitet werden, zu den Beugungsintensitäten aller Beugungsebenen (hkl) berechnet. l und „p“ stellen jeweils einen Wert dar, der aus einem XRD-Profil des piezoelektrischen Films (piezoelektrischen Substrats) gewonnen wurde, und l₀ und p₀ stellen jeweils einen Wert dar, der aus einem XRD-Profil einer Probe gewonnen wurde, die durch Pulverisierung des piezoelektrischen Films (piezoelektrischen Substrats) erhalten wurde.
Jedes geeignete Ferroelektrikum wird als Material für die Bildung des piezoelektrischen Films verwendet. Vorzugsweise wird eine Verbindung auf der Basis von Bleizirkonattitanat (PZT) verwendet. Als Verbindung auf PZT-Basis kann nicht nur ein binäres PZT (PbZrO₃PbTiO₃) aus Bleititanat und Bleizirkonat mit einer perowskitartigen Struktur, sondern auch ein ternäres PZT verwendet werden. Wenn der piezoelektrische Film eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält, kann der piezoelektrische Film ein ternäres PZT enthalten. Durch die Verwendung des ternären PZT kann ein zu erhaltendes Verbundsubstrat (piezoelektrisches Element) an verschiedene Eigenschaften angepasst werden. Insbesondere können Eigenschaften wie eine piezoelektrische Konstante, eine Dielektrizitätskonstante, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient und eine Curie-Temperatur je nach Bedarf fein eingestellt werden.
Das Atomverhältnis (Zr/Ti) von Zr zu Ti in dem piezoelektrischen Film beträgt vorzugsweise 0,7 oder mehr und 2,0 oder weniger, bevorzugter 0,9 oder mehr und 1,5 oder weniger.
Das ternäre PZT wird typischerweise durch ATiO₃-PbZrO₃-PbTiO₃ oder PbBO₃-PbZrO₃-PbTiO₃ dargestellt, wobei A und B jeweils ein Element außer Pb, Zr und Ti darstellen. Beispiele für das Element A in der dritten Komponente des ternären PZTs umfassen Li, Na, K, Bi, La, Ce und Nd. Beispiele für das Element B in der dritten Komponente des ternären PZT umfassen Li, Cu, Mg, Ni, Zn, Mn, Co, Sn, Fe, Cd, Sb, Al, Yb, In, Sc, Y, Nb, Ta, Bi, W, Te und Re. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Der Anteil der dritten Komponente in Bezug auf die Summe von Zr, Ti, Pb und der dritten Komponente (Element A und/oder Element B) in dem piezoelektrischen Film, insbesondere das Atomverhältnis „dritte Komponente/(Zr+Ti+Pb+dritte Komponente)“ ist vorzugsweise 0,05 oder mehr und 0,25 oder weniger, bevorzugter 0,10 oder mehr und 0,20 oder weniger.
Das Atomverhältnis (Anteil) kann durch eine Analyse der Zusammensetzung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) bestimmt werden.
Andere spezielle Beispiele für das Material zur Bildung des piezoelektrischen Films umfassen PMN-PT (Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃), Bariumtitanat (BaTiO₃), Bleititanat (PbTiO₃), Bleimetaniobat (PbNb₂O₆), Wismuttitanat (Bi₄T₁₃O₁₂), KNN ((K_0,5Na_0,5)NbO₃), KNN-LN (((K_0,5Na_0,5)NbO₃)-LiNbO₃) und BT-BNT-BKT ((Bi_0,5Na_0,5)TiO₃-(Bi_0,5K_0,5)TiO₃-BaTiO₃).
Die Dicke des piezoelektrischen Films beträgt beispielsweise mehr als 0,2 µm, vorzugsweise 0,3 µm oder mehr, bevorzugter 1 µm oder mehr, noch bevorzugter 3 µm oder mehr. In einer Ausführungsform kann die Dicke des piezoelektrischen Films 5 µm oder mehr oder 6 µm oder mehr betragen. Mit einer solchen Dicke lässt sich beispielsweise ein mit niedriger Spannung betriebener Aktuator mit hoher Auslenkung erzielen. Wenn der piezoelektrische Film beispielsweise durch Filmbildung wie Sputtern gebildet wird, ist es schwierig, eine solche Dicke im Hinblick auf die Filmspannung des zu erhaltenden piezoelektrischen Films, die Produktivität und dergleichen zu erreichen. Enthält der piezoelektrische Film dagegen eine nicht orientierte polykristalline Substanz, kann der piezoelektrische Film auf eine solche Dicke eingestellt werden. Wenn der piezoelektrische Film eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält, kann ein Verbundsubstrat, bei dem das Auftreten einer Verwerfung unterdrückt wird, sogar mit einer solchen Dicke erhalten werden. Indes beträgt die Dicke des piezoelektrischen Films beispielsweise 200 µm oder weniger, vorzugsweise 150 µm oder weniger, bevorzugter 100 µm oder weniger, noch bevorzugter 50 µm oder weniger, besonders bevorzugt 20 µm oder weniger. Mit einer solchen Dicke können Defekte, die durch einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zum Trägersubstrat verursacht werden (z.B. das Auftreten von Rissen durch Erwärmung), unterdrückt werden, und beispielsweise kann ein Erwärmungsvorgang (z.B. 100°C oder mehr) bei der Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung unterstützt werden. Insbesondere kann die Maskenbildung unter Verwendung von Photolithographie oder dergleichen bei der Herstellung einer MEMS-Vorrichtung unterstützt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann der piezoelektrische Film einen Sinterkörper enthalten. Der Sinterkörper kann durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann der Sinterkörper durch Drucksintern von Rohmaterialpulver gebildet werden. Als spezielles Beispiel kann der Sinterkörper gebildet werden, indem Rohmaterialpulver, das in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis gemischt wurde, oder Pulver, das durch Kalzinieren von Rohmaterialpulver, das in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis gemischt wurde, und anschließendes Pulverisieren des Ergebnisses auf einen vorbestimmten Teilchendurchmesser (z.B. von 0,1 µm bis 10 µm) erhalten wurde, einer Drucksinterung unterzogen wird. Für die Drucksinterung kann jedes geeignete Verfahren angewendet werden. Insbesondere kann ein HIP-Verfahren, ein Heißpressverfahren oder dergleichen angewandt werden.
Der piezoelektrische Film kann z.B. dadurch hergestellt werden, dass der Sinterkörper (piezoelektrisches Substrat) einer Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, bis zu einer gewünschten Dicke unterzogen wird. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Films wird die Polarisationsbehandlung zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt. In einer Ausführungsform sind ein Paar von Elektroden auf einander zugewandten Oberflächen eines plattenförmigen Sinterkörpers (piezoelektrisches Substrat) angeordnet und die Polarisationsbehandlung wird durch ein elektrisches Feld in einer Richtung von einer Elektrode zur anderen Elektrode durchgeführt. Danach wird das Ergebnis einer Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, unterzogen, um so einen piezoelektrischen Film zu erhalten.
Der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra des piezoelektrischen Films beträgt vorzugsweise 2 nm oder weniger, bevorzugter 1 nm oder weniger, noch bevorzugter 0,3 nm oder weniger.
A-2. Trägersubstrat
Als Trägersubstrat kann jedes geeignete Substrat verwendet werden. Das Trägersubstrat kann eine einkristalline Substanz oder eine polykristalline Substanz enthalten. Darüber hinaus kann das Trägersubstrat auch ein Metall enthalten. Ein Material zur Bildung des Trägersubstrats wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Silizium, Sialon, Saphir, Cordierit, Mullit, Glas, Quarz, Kristall, Aluminiumoxid, SUS, einer Eisen-Nickel-Legierung (42-Legierung) und Messing.
Das Silizium kann einkristallines Silizium, polykristallines Silizium oder hochresistentes Silizium sein. Das Trägersubstrat kann Silizium auf Isolator (SOI) sein.
Typischerweise ist das Sialon eine Keramik, die durch Sintern eines Gemisches aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid erhalten wird und eine Zusammensetzung aufweist, die zum Beispiel durch Si_6-wAl_wO_wN_8-w dargestellt wird. Insbesondere hat das Sialon eine solche Zusammensetzung, dass Aluminiumoxid in Siliziumnitrid eingemischt ist, und „w“ in der Formel steht für das Mischungsverhältnis von Aluminiumoxid. „w“ steht vorzugsweise für 0,5 oder mehr und 4,0 oder weniger.
Typischerweise ist der Saphir ein einkristallines Material mit der Zusammensetzung Al₂O₃ und das Aluminiumoxid ist ein polykristallines Material mit der Zusammensetzung Al₂O₃. Bei dem Aluminiumoxid handelt es sich vorzugsweise um transluzentes Aluminiumoxid.
Typischerweise ist der Cordierit eine Keramik mit der Zusammensetzung 2MgO·2Al₂O₃ · 5SiO₂ und der Mullit ist eine Keramik mit einer Zusammensetzung im Bereich von 3Al₂O₃ · 2SiO₂ bis 2Al₂O₃ · SiO₂.
Als Dicke des Trägersubstrats kann jede geeignete Dicke eingesetzt werden. Die Dicke des Trägersubstrats liegt beispielsweise von 100 µm bis 1000 µm.
A-3. Verbindungsschicht
Ein Material zur Bildung der Verbindungsschicht, das in das Verbundsubstrat eingearbeitet werden kann, ist z.B. Silizium, Tantaloxid, Nioboxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Hafniumoxid. Die Dicke der Verbindungsschicht liegt beispielsweise von 5 nm bis 1 µm, vorzugsweise von 10 nm bis 200 nm.
Die Verbindungsschicht enthält typischerweise eine amorphe Substanz. Insbesondere kann die Verbindungsschicht eine amorphe Schicht sein. Wenn die Verbindungsschicht eine amorphe Substanz enthält, lässt sich beispielsweise das später beschriebene Polieren leicht durchführen, und eine bevorzugte Oberflächenrauheit lässt sich auf einer Verbindungsoberfläche leicht erzielen.
Die Verbindungsschicht kann durch jedes geeignete Verfahren gebildet werden. Die Verbindungsschicht kann z.B. durch physikalische Abscheidung, wie Sputtern, Vakuumabscheidung oder ionenstrahlunterstützte Abscheidung (IAD), chemische Abscheidung oder ein Atomschichtabscheidungsverfahren (ALD) gebildet werden. Die Bildung der Verbindungsschicht kann z.B. bei Raumtemperatur (25°C) bis 300°C erfolgen.
A-4. Elektrode
Im gezeigten Beispiel hat die Elektrode (untere Elektrode) eine laminierte Struktur mit der ersten unteren Elektrodenschicht, der zweiten unteren Elektrodenschicht und der dritten unteren Elektrodenschicht. Die erste untere Elektrodenschicht und die dritte untere Elektrodenschicht, die mit den an die Elektrode angrenzenden Schichten in Kontakt gebracht werden, können jeweils als Adhäsionsschicht fungieren. Als Material für die erste untere Elektrodenschicht und die dritte untere Elektrodenschicht wird beispielsweise ein Metall, wie Ti, Cr, Ni, Mo oder Al, verwendet. Diese Metalle können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.
In einer Ausführungsform sind das Material zur Bildung der ersten unteren Elektrodenschicht und das Material zur Bildung der dritten unteren Elektrodenschicht im Wesentlichen identisch miteinander. Insbesondere haben die erste untere Elektrodenschicht und die dritte untere Elektrodenschicht im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung. Zum Beispiel enthält die erste untere Elektrodenschicht ein Metall (z.B. Ti) und die dritte untere Elektrodenschicht enthält ein Metall (z.B. Ti). Eine solche Konfiguration kann gewählt werden, wenn der piezoelektrische Film eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält. Wenn der piezoelektrische Film beispielsweise durch Filmbildung gebildet wird, fungiert die benachbarte Schicht (Elektrode) als Impfkristallschicht für den piezoelektrischen Film und enthält ein Material mit vorbestimmten physikalischen Eigenschaften (z.B. einer Gitterkonstante). Wenn der piezoelektrische Film dagegen eine nicht orientierte polykristalline Substanz enthält, sind die Optionen für das Material zur Bildung der benachbarten Schicht (Elektrode) größer, und ein Material kann beispielsweise unter dem Gesichtspunkt der Produktionseffizienz, der Eigenschaften eines zu erhaltenden Verbundsubstrats (piezoelektrisches Element) und dergleichen ausgewählt werden.
Die Dicke der ersten unteren Elektrodenschicht und der dritten unteren Elektrodenschicht, die als Adhäsionsschichten mit den benachbarten Schichten fungieren können, beträgt beispielsweise 1 nm oder mehr und 100 nm oder weniger, vorzugsweise 3 nm oder mehr und 50 nm oder weniger, bevorzugter 5 nm oder mehr und 20 nm oder weniger.
Als Material für die Bildung der zweiten unteren Elektrodenschicht wird vorzugsweise ein Metall, wie Pt oder Au, verwendet. Die Dicke der zweiten unteren Elektrodenschicht beträgt beispielsweise 10 nm oder mehr und 1000 nm oder weniger, vorzugsweise 50 nm oder mehr und 250 nm oder weniger.
Die Elektrode (zweite untere Elektrodenschicht) enthält typischerweise eine amorphe Substanz. Eine solche Konfiguration kann zum Beispiel zur Unterdrückung einer Verwerfung beitragen, die in einem zu erhaltenden Verbundsubstrat auftritt.
Die Elektrode kann durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden. So kann die Elektrode beispielsweise durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase, wie Sputtern, Vakuumabscheidung oder ionenstrahlunterstützte Abscheidung (IAD) gebildet werden. In einer Ausführungsform können die erste untere Elektrodenschicht und die dritte untere Elektrodenschicht durch Sputtern unter denselben Bedingungen unter Verwendung desselben Targets (z.B. eines Ti-Targets) gebildet werden. Die Bildung der Elektrode kann z.B. bei Raumtemperatur (25°C) bis 300°C erfolgen.
A-5. Herstellungsverfahren
Das vorstehend genannte Verbundsubstrat kann z.B. durch Verbinden (direktes Verbinden) des vorstehend genannten piezoelektrischen Films oder des piezoelektrischen Substrats und des vorstehend genannten Trägersubstrats miteinander hergestellt werden.
4A bis 4C sind jeweils eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren für ein Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform. 4A ist eine Darstellung eines Zustands, in dem die Bildung der Elektrode 30 und der Verbindungsschicht 20 auf einem piezoelektrischen Substrat 42 abgeschlossen ist. Das piezoelektrische Substrat 42 hat eine erste Hauptoberfläche 42a und eine zweite Hauptoberfläche 42b, die einander gegenüberliegen. Die erste untere Elektrodenschicht 31, die zweite untere Elektrodenschicht 32 und die dritte untere Elektrodenschicht 33 werden nacheinander auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 42a ausgebildet, um die Elektrode 30 zu bilden, und dann wird die Verbindungsschicht 20 gebildet.
4B zeigt den Schritt des direkten Verbindens des piezoelektrischen Substrats 42, auf dem die Elektrode 30 und die Verbindungsschicht 20 ausgebildet sind, und des Trägersubstrats 10 miteinander. Zum Zeitpunkt der direkten Verbindung werden die Verbindungsoberflächen der Schicht und des Substrats vorzugsweise durch eine geeignete Aktivierungsbehandlung aktiviert. Das direkte Verbinden erfolgt beispielsweise durch Aktivieren einer Oberfläche 20a der Verbindungsschicht 20, Aktivieren einer Oberfläche 10a des Trägersubstrats 10, anschließendes In-Kontakt-Bringen der aktivierten Oberfläche der Verbindungsschicht 20 und der aktivierten Oberfläche des Trägersubstrats 10 und Druckbeaufschlagung des Resultats. Auf diese Weise erhält man das in 4C dargestellte Verbundsubstrat 102.
In einer Ausführungsform enthält ein Endabschnitt der Verbindungsschicht 20 auf der aktivierten Oberflächenseite und/oder ein Endabschnitt des Trägersubstrats 10 auf der aktivierten Oberflächenseite ein Element (z.B. Argon) zur Bildung eines Gases, das bei der Aktivierungsbehandlung verwendet wird. Insbesondere wird der Endabschnitt der Verbindungsschicht 20 und/oder des Trägersubstrats 10 auf der aktivierten Oberflächenseite in eine amorphe Region (Region, die eine amorphe Substanz enthält) umgewandelt, die ein Element zur Bildung eines Gases enthält, das bei der Aktivierungsbehandlung verwendet werden soll. Die Dicke einer solchen amorphen Region liegt beispielsweise von 2 nm bis 30 nm. Die Argonkonzentration der amorphen Region liegt beispielsweise von 0,5 atm% bis 30 atm%. Obwohl der Verteilungszustand von Argon in der amorphen Region nicht besonders begrenzt ist, ist die Argonkonzentration in der amorphen Region beispielsweise zur aktivierten Oberflächenseite hin erhöht.
Die zweite Hauptoberfläche 42b des piezoelektrischen Substrats 42 des resultierenden Verbundsubstrats 102 wird typischerweise einer Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, unterzogen, so dass ein piezoelektrischer Film mit der vorstehend erwähnten gewünschten Dicke erhalten wird. In einer Ausführungsform wird die Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, so durchgeführt, dass die Dicke eines zu erhaltenden piezoelektrischen Films mehr als 0,2 µm beträgt. Bei einer solchen Form werden die Korngrenzen-Bindungskraft eines zu erhaltenden piezoelektrischen Films und die Bindungskraft mit dem Trägersubstrat nicht durch die Verarbeitungsbelastung geschwächt, und das Ausscheiden von Kristallen zur Bildung des piezoelektrischen Films und das Auftreten von Ablösungen des piezoelektrischen Films können unterdrückt werden.
Die Oberfläche jeder Schicht (insbesondere des piezoelektrischen Films oder des piezoelektrischen Substrats, des Trägersubstrats oder der Verbindungsschicht) ist vorzugsweise eine ebene Oberfläche. Insbesondere beträgt der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra der Oberfläche jeder Schicht beispielsweise 5 nm oder weniger, vorzugsweise 2 nm oder weniger, bevorzugter 1 nm oder weniger, noch bevorzugter 0,3 nm oder weniger. Ein Verfahren zur Abflachung der Oberfläche jeder Schicht ist z.B. das Hochglanzpolieren durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder Überlappungspolieren.
Zum Zeitpunkt der vorstehend beschriebenen Filmbildung und des Zusammenfügens wird die Oberfläche jeder Schicht vorzugsweise gewaschen, um z.B. den Rückstand eines Poliermittels zu entfernen. Ein Verfahren für das Waschen ist zum Beispiel das Nasswaschen, das Trockenwaschen oder das Schrubbwaschen. Von diesen wird das Schrubbwaschen bevorzugt, da die Oberfläche einfach und effizient gewaschen werden kann. Ein spezielles Beispiel für das Schrubbwaschen ist ein Verfahren, bei dem die Oberfläche in einer Schrubbwaschmaschine mit einem Reinigungsmittel (z.B. einer SUNWASH-Serie, hergestellt von der Lion Corporation) und anschließend mit einem Lösungsmittel (z.B. einer gemischten Lösung aus Aceton und Isopropylalkohol (IPA)) gewaschen wird.
Die Aktivierungsbehandlung wird typischerweise durch Bestrahlung der Verbindungsoberfläche mit einem neutralisierten Strahl durchgeführt. Die Aktivierungsbehandlung wird vorzugsweise durch Erzeugung des neutralisierten Strahls mit einer Einrichtung wie der in JP 2014-086400 A beschriebenen Einrichtung und Bestrahlung der Verbindungsoberfläche mit dem Strahl durchgeführt. Insbesondere wird eine schnelle Sattelfeld-Atomstrahlquelle als Strahlquelle verwendet, und ein Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, wird in die Kammer der Einrichtung eingeführt, gefolgt vom Anlegen einer Hochspannung von der Gleichstromquelle an eine Elektrode davon. Auf diese Weise wird zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und dem Gehäuse (negative Elektrode) davon ein elektrisches Sattelfeld erzeugt, das eine Elektronenbewegung hervorruft, um dadurch die Strahlen eines Atoms und eines Ions durch das Inertgas zu erzeugen. Von den Strahlen, die das Gitter der schnellen Atomstrahlquelle erreicht haben, wird ein Ionenstrahl durch das Gitter neutralisiert, und somit wird der Strahl eines neutralen Atoms von der schnellen Atomstrahlquelle emittiert. Die Spannung zum Zeitpunkt der Aktivierungsbehandlung durch die Strahlenbestrahlung wird vorzugsweise auf 0,5 kV bis 2,0 kV eingestellt und der Strom zum Zeitpunkt der Aktivierungsbehandlung durch die Strahlenbestrahlung wird vorzugsweise auf 50 mA bis 200 mA eingestellt.
Die Verbindungsoberflächen werden vorzugsweise miteinander in Kontakt gebracht und in einer Vakuumatmosphäre unter Druck gesetzt. Die Temperatur zu diesem Zeitpunkt ist typischerweise Normaltemperatur. Insbesondere beträgt die Temperatur vorzugsweise 20°C oder mehr und 40°C oder weniger, bevorzugter 25°C oder mehr und 30°C oder weniger. Der anzuwendende Druck liegt vorzugsweise zwischen 100 N und 20000 N.
Im gezeigten Beispiel wird das Verbundsubstrat durch Verbinden des piezoelektrischen Substrats, auf dem die Elektrode und die Verbindungsschicht ausgebildet sind, mit dem Trägersubstrat erhalten, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Form beschränkt. Beispielsweise können das Trägersubstrat und das piezoelektrische Substrat (piezoelektrischer Film) miteinander verbunden werden, nachdem die Schichten (z.B. die Elektrode und die Verbindungsschicht), die zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnet sein können, auf der Seite des Trägersubstrats angeordnet wurden. Insbesondere kann das Verbundsubstrat eine argonhaltige amorphe Schicht enthalten, die sich zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat befindet und die Argon enthält. Die argonhaltige amorphe Schicht kann der vorstehend erwähnten amorphen Region entsprechen.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht durch diese Beispiele beschränkt. Sofern nicht anders angegeben, wurde das folgende Verfahren bei Raumtemperatur durchgeführt.
[Beispiel 1]
PbZrO₃-Pulver, PbTiO₃-Pulver, Nb₂O₅-Pulver und ZnO-Pulver wurden unter Rühren in einer Kugelmühle unter Verwendung von Wasser als Dispersionsmaterial gemischt und das entstandene Gemisch wurde getrocknet und an der Atmosphäre kalziniert (bei 900°C für 2 Stunden). Danach wurde das Ergebnis erneut 20 Stunden lang in der Kugelmühle nass pulverisiert, um ein Pulver mit einem Teilchendurchmesser von etwa 1 µm zu erhalten. Anschließend wurde das Pulver einem Pressformen unterzogen, um einen Pressling zu erhalten.
Der so entstandene Pressling wurde 2 Stunden lang an der Atmosphäre bei 1250°C vorgebrannt. Nach dem Brennen wurde das Erhaltene an der Atmosphäre abgekühlt, um einen vorgebrannten Körper zu erhalten. Der so entstandene vorgebrannte Körper wurde in einen Behälter eingebettet, der mit gemischtem Pulver aus PbO und ZrO₂ gefüllt war, und die Oberseite des Behälters wurde mit einem Deckel abgedeckt. Der Behälter wurde in einen innenbeheizten Hochtemperatur- und Hochdruckofen gestellt, und die Temperatur im Ofen wurde innerhalb von 4,5 Stunden von Raumtemperatur auf 1100°C erhöht. Auf diese Weise wurde eine Behandlung durch heißisostatisches Pressen (HIP-Verfahren) durchgeführt. Im Einzelnen wurde die Behandlung durch heißisostatisches Pressen wie folgt durchgeführt: zum Zeitpunkt der Temperaturerhöhung wurde ein Druck von bis zu 280 bar bei 1000°C angelegt und der Druck wurde in einer Stunde ab dem Zeitpunkt, an dem die Temperatur 1000°C überschritt, von 280 bar auf 600 bar erhöht, und das Erhaltene wurde eine Stunde lang bei 1100°C und 600 bar gehalten. Auf diese Weise wurde ein plattenförmiger Sinterkörper erhalten.
Auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des resultierenden Sinterkörpers wurde jeweils eine Elektrode ausgebildet, und der Sinterkörper wurde durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung einer Polarisationsbehandlung unterzogen. Danach wurde der Sinterkörper einer Fasen-, Schleif- und Überlappungspolierbearbeitung unterzogen, um einen Wafer (piezoelektrisches Substrat) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 500 µm zu erhalten. Der Grad der c-Achsen-Orientierung des resultierenden piezoelektrischen Substrats wurde nach dem Lotgering-Verfahren mit 2 % bestimmt. Der Grad der c-Achsen-Orientierung ist ein Grad der (001)-Ebenen-Orientierung F_(00I), der unter Verwendung der folgenden Ausdrücke aus einem XRD-Profil berechnet wird, das mit einer XRD-Einrichtung gemessen wurde, als die Oberfläche (Orientierungsfläche) des piezoelektrischen Substrats mit Röntgenstrahlen bestrahlt wurde. Die Bewertung wurde im Bereich eines Beugungswinkels 2θ von 10° bis 80° durchgeführt. $F_{(00 I)} = (p - p_{0}) / (1 - p_{0}) \times 100$
$P = \sum I (001) / \sum I (hkl)$
$p = \sum I_{0} (001) / \sum I_{0} (hkl)$
(l und l₀ stellen jeweils eine Beugungsintensität dar, und „p“ und p₀ werden jeweils aus dem Verhältnis der Beugungsintensitäten, die von einer c-Achsen-Beugungsebene (001) abgeleitet werden, zu den Beugungsintensitäten aller Beugungsebenen (hkl) berechnet. l und „p“ stellen jeweils einen Wert dar, der aus einem XRD-Profil gewonnen wird, wenn die Oberfläche (Orientierungsfläche) des piezoelektrischen Substrats mit einem Röntgenstrahl bestrahlt wird, und l₀ und p₀ stellen jeweils einen Wert dar, der aus einem XRD-Profil gewonnen wird, wenn eine durch Pulverisierung des piezoelektrischen Substrats gewonnene Probe gemessen wird).
Die erste Oberfläche des entstandenen piezoelektrischen Substrats wurde durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) auf Hochglanz poliert, so dass der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra weniger als 2 nm beträgt. Der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra ist ein Wert, der mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) in einem Sichtfeld von 10 µm mal 10 µm gemessen wurde.
Ein Ti-Film mit einer Dicke von 10 nm, ein Pt-Film mit einer Dicke von 100 nm, ein Ti-Film mit einer Dicke von 10 nm und ein Siliziumfilm mit einer Dicke von 150 nm wurden auf der hochglanzpolierten ersten Oberfläche des piezoelektrischen Substrats durch Sputtern in der angegebenen Reihenfolge gebildet. Danach wurde die Oberfläche des Siliziumfilms einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) unterzogen, um einen arithmetischen Mittelwert der Rauheit Ra von 0,2 nm zu erreichen.
Ein Siliziumsubstrat mit einem flachen Orientierungsabschnitt und einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 500 µm wurde hergestellt. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats wird einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) unterzogen und weist einen arithmetischen Mittelwert der Rauheit Ra von 0,2 nm auf.
Anschließend wurden das piezoelektrische Substrat und das Trägersubstrat direkt miteinander verbunden. Insbesondere wurden die Oberfläche (Siliziumfilmseite) des piezoelektrischen Substrats und die Oberfläche des Siliziumsubstrats gewaschen, und dann wurden beide Substrate in eine Vakuumkammer geladen, gefolgt von ihrer Evakuierung auf ein Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa. Danach wurden die Oberflächen beider Substrate 120 Sekunden lang mit schnellen Atomstrahlen (Beschleunigungsspannung: 1 kV, Ar-Durchflussrate: 27 sccm) bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden die mit Strahlen bestrahlten Oberflächen der zwei Substrate übereinandergelegt und die beiden Substrate durch 2 Minuten Druckbeaufschlagung mit 10000 N miteinander verbunden, um einen Verbundkörper zu erhalten.
Dann wurde die zweite Oberfläche des piezoelektrischen Substrats des entstandenen Verbundkörpers geschliffen und poliert. So wurde ein Verbundsubstrat mit einem piezoelektrischen Film mit einer Dicke von 0,3 µm erhalten.
[Beispiele 2 bis 6]
Die Verbundsubstrate wurden jeweils auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Bedingungen für das Schleifen und Polieren der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Substrats geändert wurden.
[Beispiel 7]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein Au-Film mit einer Dicke von 100 nm durch Sputtern anstelle des Pt-Films mit einer Dicke von 100 nm gebildet wurde.
[Beispiel 8]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 erhalten, mit der Ausnahme, dass der Ti-Film und der Pt-Film nicht durch Sputtern gebildet wurden.
[Beispiel 9]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein piezoelektrisches Substrat mit einem Grad der c-Achsen-Orientierung von 9 %, wie durch das Lotgering-Verfahren bestimmt, verwendet wurde.
[Beispiel 10]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein piezoelektrisches Substrat mit einem Grad der c-Achsen-Orientierung von 58 %, wie durch das Lotgering-Verfahren bestimmt, verwendet wurde.
[Beispiel 11]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 erhalten, mit der Ausnahme, dass ein piezoelektrisches Substrat mit einem Grad der c-Achsen-Orientierung von 79 %, wie durch das Lotgering-Verfahren bestimmt, verwendet wurde.
<TEM Beobachtung>
Es wurde eine Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Beobachtung (Vergrößerung: 50000, 400000 und 2000000) eines Querschnitts des Verbundsubstrats von Beispiel 4 durchgeführt. Die Beobachtungsfotos sind in 5A, 5B und 5C dargestellt. Bei der TEM-Querschnittsbeobachtung wurde eine Probe zur Beobachtung aus dem resultierenden Verbundsubstrat durch ein FIB-Verfahren hergestellt.
<EDX-Analyse>
Die EDX-Analyse des Querschnitts des Verbundsubstrats aus Beispiel 4 ergab, dass die Argonkonzentration in einer Schicht (amorphe Region, die durch die Aktivierungsbehandlung gebildet wurde), die durch den Pfeil in 5C angezeigt wird, 3,0 atm% betrug.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Siliziumsubstrat mit einem flachen Orientierungsabschnitt, der eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander gegenüberliegen, und der einen Durchmesser von 4 Inch, eine Dicke von 500 µm und eine ebene Orientierung von (100) aufweist, wurde hergestellt.
Während das Siliziumsubstrat auf 560°C erhitzt wurde, wurden dann auf der ersten Oberfläche durch Sputtern in der angegebenen Reihenfolge ein 10 nm dicker Ti-Film, ein 100 nm dicker Pt-Film und ein 10 nm dicker Strontiumruthenat (SRO)-Film gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wurde der resultierende SRO-Film kristallisiert und durch Erhitzen auf 560°C in eine (100)-Ebene ausgerichtet.
Anschließend wurde, während das Siliziumsubstrat auf 560°C erhitzt wurde, ein PZT-Film (piezoelektrischer Film) mit einer Dicke von 3 µm auf dem SRO-Film durch Sputtern unter Verwendung eines Sinterkörpers (0,8PbZr_0.53Ti_0.47O₃ +0,2PbO), gemischt mit 20 Mol% überschüssigem PbO als Target, gebildet. Durch Erhitzen bei 560°C wurde ein kristallisierter und in der (001)-Ebene orientierter PZT-Film erhalten.
Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat erhalten. Der Grad der c-Achsen-Orientierung des entstandenen piezoelektrischen Films wurde mit dem Lotgering-Verfahren auf 89 % bestimmt.
[Vergleichsbeispiel 2]
Ein Verbundsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Dicke des PZT-Films auf 5 µm geändert wurde.
[Vergleichsbeispiel 3]
Es wurde versucht, einen PZT-Film mit einer Dicke von 6 µm herzustellen. Das Siliziumsubstrat war jedoch aufgrund einer Verwerfung, die zum Zeitpunkt der Filmbildung auftrat, gebrochen, und so konnte kein Verbundsubstrat erhalten werden.
Die Verbundsubstrate der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden wie nachstehend beschrieben bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
<Bewertung 1>
Die Verwerfung eines Verbundsubstrats (Wafer) wurde mit einem Laserauslenkungsmessgerät („LK-G5000“, hergestellt von Keyence Corporation) gemessen. Insbesondere wurde die Dickenverteilung (Höhe) des Wafers gemessen, wenn der Wafer auf einem beweglichen Tisch platziert wurde, wobei das Siliziumsubstrat der Platzierungsoberfläche zugewandt war. Die Messung wurde in Bezug auf zwei Linien in horizontaler Richtung und vertikaler Richtung in Bezug auf eine ebene Orientierung des Wafers durchgeführt, und ein größerer Messwert ist in Tabelle 1 dargestellt.
<Bewertung 2-1 >
Die Verbundsubstrate (Wafern) der Beispiele 1 bis 7 und 9 bis 11 wurden jeweils auf eine Größe von 30 mm × 5 mm zugeschnitten, und ein Pt-Film mit einer Dicke von 100 nm wurde durch Sputtern im Bereich von 20 mm × 5 mm auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films gebildet. Auf diese Weise wurde ein Cantilever hergestellt.
Die Verbundsubstrate (Wafern) der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden jeweils auf eine Größe von 30 mm × 5 mm zugeschnitten und ein SRO-Film mit einer Dicke von 10 nm und ein Pt-Film mit einer Dicke von 100 nm wurden durch Sputtern (ein amorpher Film wurde ohne Erhitzen gebildet) im Bereich von 20 mm × 5 mm der Oberfläche des piezoelektrischen Films gebildet. Danach wurde eine Polarisationsbehandlung durch Anlegen einer bestimmten Spannung durchgeführt. Auf diese Weise wurde ein Cantilever hergestellt.
An die obere Elektrode (Pt-Film) und die untere Elektrode (Pt-Film oder Au-Film) des resultierenden Cantilevers wurde eine Spannung (mit 500 Hz) angelegt, so dass die Intensität des elektrischen Feldes, das an den piezoelektrischen Film angelegt wurde, 0,34 kV/mm betrug, um das Element anzutreiben.
Der Betrag der Amplitude (Betrag der Auslenkung) am distalen Ende des Cantilevers wurde mit einem Laser-Doppler-Vibrometer gemessen, und d31 wurde nach der folgenden Formel berechnet.
[Math. 1]
Berechnungsformel des piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ $- d 31 ≃ \frac{{(h^{s})}^{2} \cdot S^{p}_{11}}{3 \cdot S^{s}_{11} \cdot L^{2} \cdot V} δ$
1. Kanno et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003), 68-74

hs :: Dicke des Silizium-Cantilevers
Sp11 :: Elastische Nachgiebigkeit des PZT-Films → 1/(70 × 10⁹ Pa) angenommener Wert
Ss11 :: Elastische Nachgiebigkeit des Siliziums → 1/(168,9 × 10⁹ Pa)
L :: Länge des Silizium-Cantilevers
V :: angelegte Spannung
δ :: Auslenkung des Cantilevers

<Bewertung 2-2>
Nachdem das Siliziumsubstrat und der Siliziumfilm des Verbundsubstrats (Wafer) aus Beispiel 8 durch Ätzen entfernt worden waren, wurden Pt-Filme (obere Elektrode und untere Elektrode) mit einer Dicke von jeweils 100 nm durch Sputtern auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Films und einer durch Ätzen freigelegten unteren Oberfläche gebildet, um ein Laminat zu erhalten. Danach wurde das Laminat auf eine Größe von 20 mm × 2 mm geschnitten (diced).
Die Dicke (Höhe) des entstandenen Chips wurde mit einem Laserauslenkungsmessgerät gemessen.
Nachdem eine Gleichspannung an die obere Elektrode und die untere Elektrode angelegt worden war, so dass die elektrische Feldstärke an dem piezoelektrischen Film 0,34 kV/mm betrug, wurde die Dicke des Chips mit einem Laserauslenkungsmessgerät gemessen.
d31 wurde aus dem Betrag der Auslenkung vor und nach dem Anlegen der Spannung berechnet.

Tabelle 1

	Konfiguration der Elektrode	F₍₀₀₁₎ (%)	Dicke des piezoelektrischen Films (µm)	Verwerfung des Wafers (µm)	d31 (pC/N)
Beispiel 1	Ti/Pt/Ti	2	0,3	6	189
Beispiel 2	Ti/Pt/Ti	2	3	15	192
Beispiel 3	Ti/Pt/Ti	2	5	20	195
Beispiel 4	Ti/Pt/Ti	2	10	35	196
Beispiel 5	Ti/Pt/Ti	2	20	45	235
Beispiel 6	Ti/Pt/Ti	2	100	51	240
Beispiel 7	Ti/Au/Ti	2	10	25	203
Beispiel 8	-	2	10	17	201
Beispiel 9	Ti/Pt/Ti	9	10	38	189
Beispiel 10	Ti/Pt/Ti	58	10	41	175
Beispiel 11	Ti/Pt/Ti	79	10	42	172
Vergleichsbeispiel 1	SRO/Pt	89	3	137	100
Vergleichsbeispiel 2	SRO/Pt	89	5	228	105

In jedem der Beispiele wird das Auftreten von Verwerfungen unterdrückt. Darüber hinaus werden in allen Beispielen ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften erkannt. Insbesondere werden hervorragende piezoelektrische Eigenschaften auch in einer Region mit niedrigem elektrischem Feld (z.B. <5 kV/mm) festgestellt.
Es wird angenommen, dass in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 durch die Einstellung der Heiztemperatur, der Filmbildungsleistung, der Art eines Zusatzgases in einer Kammer, der Dicke jeder Schicht und dergleichen zum Zeitpunkt der Sputterfilmbildung zum Beispiel die Druckspannung und die Zugspannung jeder Schicht ausgeglichen werden können, um eine Verwerfung zu vermindern. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass, selbst wenn die Verwerfung vermindert wird, immer noch eine Restspannung verbleibt, z.B. die piezoelektrische Konstante und die Zuverlässigkeit niedrig sind, und daher sind die Verbundsubstrate der Vergleichsbeispiele 1 und 2 nicht jeweils für die Verwendung als piezoelektrisches Element in einem piezoelektrischen Aktuator geeignet.
<Temperatureigenschaften>
Die Temperatureigenschaften der Verbundsubstrate aus Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 1 wurden bewertet. Bei der vorstehend erwähnten Bewertung 2-1 wurde der Cantilever auf einer Heizplatte platziert und von Raumtemperatur (25°C) auf 120°C erhitzt. Dann wurde eine Spannung (mit 500 Hz) angelegt, so dass die Intensität des elektrischen Feldes, das auf den piezoelektrischen Film einwirkte, 1 kV/mm (elektrische Feldintensität/elektrisches Koerzitivfeld=1,0) in Beispiel 4 und 5 kV/mm (elektrische Feldintensität/elektrisches Koerzitivfeld=0,75) in Vergleichsbeispiel 1 betrug, um das Element anzutreiben. Auf diese Weise wurde der Betrag der Auslenkung gemessen. Die Temperatur wurde gemessen, indem ein Thermoelement in der Nähe des Cantilevers angebracht wurde.
Die Änderungsrate der Auslenkungsmenge (Verhältnis der Auslenkungsmenge bei 120°C zu der Auslenkungsmenge bei Raumtemperatur) betrug 1,11 in Beispiel 4 und 1,36 in Vergleichsbeispiel 1. Es kann gesagt werden, dass die Temperaturstabilität in Beispiel 4 ausgezeichnet ist.
<Zuverlässigkeit>
Die Zuverlässigkeit wurde für das Verbundsubstrat aus Beispiel 4 bewertet. Bei der vorstehend erwähnten Bewertung 2-1 wurde der Cantilever auf eine Heizplatte gelegt und von Raumtemperatur (25°C) auf 120°C erhitzt. Dann wurde eine Spannung (mit 500 Hz) angelegt, so dass die Intensität des elektrischen Feldes, das auf den piezoelektrischen Film einwirkte, 1 kV/mm betrug (elektrische Feldintensität/koerzitives elektrisches Feld=1,0), um das Element anzutreiben. Auf diese Weise wurden 7 Tage lang eine Änderung des Auslenkungsbetrags und ein Anstieg der Temperatur des Elements durch Wärmeentwicklung des Elements gemessen.
Die Änderungsrate der Auslenkungsmenge nach 7 Tagen im Vergleich zum Zeitpunkt des Messbeginns betrug 0,98. Darüber hinaus erzeugte das Element keine Wärme und die Temperatur des Elements betrug nach 7 Tagen 120°C. Es kann gesagt werden, dass das Verbundsubstrat des Beispiels eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist, einschließlich der Tatsache, dass kein organischer Klebstoff (z.B. auf Epoxid- oder Acrylbasis) verwendet wird.
<TTV>
Für das Verbundsubstrat aus Beispiel 4 wurde eine TTV gemessen. Konkret wurde ein äußerer Rand des resultierenden Verbundsubstrats (4 Inch) um etwa 0,5 mm geschnitten und eine TTV mit dem FlatMaster 200, hergestellt von der Tropel Corporation, im Bereich von φ99 mm gemessen. Die TTV des Verbundsubstrats aus Beispiel 4 betrug demnach 1,6 µm.
<Dickenverteilung des piezoelektrischen Films>
Die Dickenverteilung des piezoelektrischen Films wurde für jedes der Verbundsubstrate aus Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 bewertet. Insbesondere wurde ein äußerer Rand des resultierenden Verbundsubstrats (4 Inch) um etwa 5 mm geschnitten und die Dicken an 17 Punkten in einer Ebene wurden mit einem mikrospektroskopischen Dickenmessgerät („OPTM-A2“, hergestellt von Otsuka Electronics Co., Ltd.) im Bereich von φ90 mm gemessen.
Die Dickenverteilung (Variation) betrug 3±0,05 µm (±1,7%) in Beispiel 2 und 3±0,15 µm (±5,0%) in Vergleichsbeispiel 1. Es kann gesagt werden, dass die Dickenvariation in Beispiel 2 gering ist. Auch in anderen Beispielen, die sich in der Dicke des piezoelektrischen Films unterscheiden, kann die Bearbeitung (Schleifen und Polieren) in gleichem Maße (Genauigkeit von ±0,05 µm) wie in Beispiel 2 durchgeführt werden, und das Verhältnis der Variation zur Dicke des piezoelektrischen Films verringert sich, wenn die Dicke des piezoelektrischen Films erhöht wird.
Wenn eine Hochleistungs-Sputter-Filmbildungseinrichtung für die Bildung des piezoelektrischen Films verwendet wird, kann die Dickenvariation auf ±2% bis ±3% unterdrückt werden, aber das Ergebnis von Beispiel 2 (±1,7%) wird nicht erhalten. Darüber hinaus ist es schwierig, den gebildeten piezoelektrischen Film zu polieren.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Verbundsubstrat gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise in einem piezoelektrischen Element verwendet werden. Das piezoelektrische Element wird in einer piezoelektrischen Vorrichtung, wie einem Tintenstrahlkopf, einer MEMS-Spiegelvorrichtung, einem Gyroskopsensor, einem Ultraschallsensor, einem pyroelektrischen Infrarotsensor oder einem haptischen Sensor (Haptik) verwendet.
Bezugszeichenliste

10: Trägersubstrat
20: Verbindungsschicht
30: Elektrode (untere Elektrode)
40: piezoelektrischer Film
100: Verbundsubstrat
110: Verbundsubstrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017043383 A1 [0002]
JP 5525351 B2 [0002]
JP 2014086400 A [0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kanno et al. / Sensors and Actuators A 107 (2003), 68-74 [0080]

Claims

Verbundsubstrat, umfassend: ein Trägersubstrat; und einen piezoelektrischen Film, der über dem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Film eine polykristalline Substanz mit einem durch ein Lotgering-Verfahren bestimmten Grad der c-Achsen-Orientierung von 80 % oder weniger enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine zwischen dem Trägersubstrat und dem piezoelektrischen Film angeordnete Verbindungsschicht, wobei die Verbindungsschicht eine amorphe Substanz enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Film eine Verbindung auf PZT-Basis enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Film ein ternäres PZT enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Film einen Sinterkörper enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Film eine Dicke von 0,3 µm oder mehr und 100 µm oder weniger aufweist.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnete Elektrode, wobei die Elektrode eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine dritte Elektrodenschicht enthält, und wobei ein Material zur Bildung der ersten Elektrodenschicht und ein Material zur Bildung der dritten Elektrodenschicht im Wesentlichen identisch sind.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnete Elektrode, wobei die Elektrode eine amorphe Substanz enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine argonhaltige amorphe Schicht, die zwischen dem piezoelektrischen Film und dem Trägersubstrat angeordnet ist und die Argon enthält.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat eine amorphe Region aufweist, die in einem Endabschnitt davon auf einer Oberseite gebildet ist, und wobei die amorphe Region eine Dicke von 2 nm bis 30 nm aufweist.
Verbundsubstrat nach Anspruch 10, wobei die amorphe Region Argon enthält, und wobei die amorphe Region eine Argonkonzentration von 0,5 atm% bis 30 atm% aufweist.
Verbundsubstrat nach Anspruch 1, wobei das Verbundsubstrat eine Gesamtdickenvariation von 10 µm oder weniger aufweist.
Piezoelektrische Vorrichtung, umfassend das Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats, umfassend: Herstellung eines piezoelektrischen Substrats, das einen Sinterkörper enthält; und Verbinden des piezoelektrischen Substrats und eines Trägersubstrats miteinander.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats nach Anspruch 14, weiterhin umfassend die Bildung einer Verbindungsschicht auf dem piezoelektrischen Substrat bei 300°C oder weniger.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend die Bildung einer Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat bei 300°C oder weniger.