JP2007287918A - Piezoelectric laminate, manufacturing method of same, surface acoustic wave element, thin film piezoelectric resonator, and piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウム層を有する圧電体積層体、当該圧電体積層体を含む表面弾性波素子、薄膜圧電共振子および圧電アクチュエータ、ならびに圧電体積層体の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric laminate having a potassium sodium niobate layer, a surface acoustic wave device including the piezoelectric laminate, a thin film piezoelectric resonator and a piezoelectric actuator, and a method for manufacturing the piezoelectric laminate.
たとえば、携帯電話などの移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子の開発の方向としては、小型化、高効率化、高周波化の方向にある。そのためには、より大きな電気機械結合係数（ｋ２）、より安定な温度特性、より大きな表面弾性波伝播速度、が必要となる。 For example, with the remarkable development of the communication field centered on mobile communications such as mobile phones, the demand for surface acoustic wave devices is rapidly expanding. The direction of development of surface acoustic wave devices is in the direction of miniaturization, high efficiency, and high frequency. For that purpose, a larger electromechanical coupling coefficient (k 2 ), a more stable temperature characteristic, and a larger surface acoustic wave propagation velocity are required.
表面弾性波素子は、従来、主として圧電体の単結晶上にインターディジタル型電極を形成した構造が用いられてきた。圧電単結晶の代表的なものとしては、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などがある。例えば、広帯域化や通過帯域の低損失化が要求されるＲＦフィルタの場合には、電気機械結合係数の大きいＬｉＮｂＯ３が用いられる。一方、狭帯域でも安定な温度特性が必要なＩＦフィルタの場合は、中心周波数温度係数の小さい水晶が用いられる。さらに、電気機械結合係数および中心周波数温度係数がそれぞれＬｉＮｂＯ３と水晶の間にあるＬｉＴａＯ３はその中間的な役割を果たしている。また、最近、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）単結晶において、大きな電気機械結合係数の値を示すカット角が見出された。ＫＮｂＯ３単結晶板は、特開平１０−６５４８８号公報に記載されている。 Conventionally, a structure in which an interdigital electrode is formed on a single crystal of a piezoelectric material has been used for a surface acoustic wave device. Typical examples of the piezoelectric single crystal include quartz crystal, lithium niobate (LiNbO 3 ), and lithium tantalate (LiTaO 3 ). For example, LiNbO 3 having a large electromechanical coupling coefficient is used in the case of an RF filter that requires a wide band and a low loss in the pass band. On the other hand, in the case of an IF filter that requires stable temperature characteristics even in a narrow band, a crystal having a small center frequency temperature coefficient is used. Further, LiTaO 3 having an electromechanical coupling coefficient and a center frequency temperature coefficient between LiNbO 3 and quartz, respectively, plays an intermediate role. Recently, a cut angle showing a large electromechanical coupling coefficient value was found in potassium niobate (KNbO 3 ) single crystal. The KNbO 3 single crystal plate is described in JP-A-10-65488.
圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子では、電気機械結合係数、温度係数、音速などの特性は材料固有の値であり、カット角および伝播方向で決定される。たとえば、０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ３単結晶基体は電気機械結合係数に優れるが、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ３単結晶基体のような零温度特性は室温付近において示さない。
本発明の目的は、基体上にニオブ酸カリウムナトリウム層が形成された圧電体積層体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric laminate in which a potassium sodium niobate layer is formed on a substrate.
本発明の他の目的は、本発明の圧電体積層体を有する表面弾性波素子、薄膜圧電共振子および圧電アクチュエータを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device, a thin film piezoelectric resonator and a piezoelectric actuator having the piezoelectric laminate of the present invention.
本発明のさらに他の目的は、本発明の圧電体積層体の製造方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a method for producing a piezoelectric laminate of the present invention.
本発明にかかる圧電体積層体は、
基体と、
前記基体の上方に形成されたテンプレート層と、
前記テンプレート層の上方に形成されたニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層と、を含む。
The piezoelectric laminate according to the present invention is
A substrate;
A template layer formed above the substrate;
And a piezoelectric layer made of potassium sodium niobate formed above the template layer.
本発明の圧電体積層体によれば、テンプレート層を有することにより、圧電体層の結晶化温度を下げることができ、その結果、所望の組成を有し、かつ優れた結晶性を有するニオブ酸カリウムナトリウム層を有する。 According to the piezoelectric laminate of the present invention, by having the template layer, the crystallization temperature of the piezoelectric layer can be lowered, and as a result, niobic acid having a desired composition and excellent crystallinity. Has a potassium sodium layer.
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に形成された特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。 In the present invention, when a specific B member (hereinafter referred to as “B member”) formed above a specific A member (hereinafter referred to as “A member”), the B member is directly on the A member. The meaning includes the case where it is provided and the case where the B member is provided on the A member via another member.
本発明の圧電体積層体において、前記第１圧電体層は、前記組成式において、０．１＜ａ＜１であり、１≦ｘ≦１．２であることができる。 In the piezoelectric laminate of the present invention, the first piezoelectric layer may satisfy 0.1 <a <1 and 1 ≦ x ≦ 1.2 in the composition formula.
本発明の圧電体積層体において、前記第１圧電体層は、１＜ｘ≦１．１であることができる。 In the piezoelectric layered body of the present invention, the first piezoelectric layer may satisfy 1 <x ≦ 1.1.
本発明の圧電体積層体において、前記テンプレート層は、前記圧電体層と同じ組成を有するニオブ酸カリウムナトリウムからなることができる。 In the piezoelectric laminate of the present invention, the template layer can be made of potassium sodium niobate having the same composition as the piezoelectric layer.
本発明の圧電体積層体において、前記テンプレート層の下に、ランタン酸ニッケルからなる配向制御層を有することができる。 In the piezoelectric laminate of the present invention, an orientation control layer made of nickel lanthanum can be provided under the template layer.
本発明の圧電体積層体において、前記ランタン酸ニッケルは多結晶であることができる。 In the piezoelectric laminate according to the present invention, the nickel lanthanate may be polycrystalline.
本発明の圧電体積層体は、前記圧電体層の上方に形成された電極を有することができる。 The piezoelectric laminate of the present invention can have an electrode formed above the piezoelectric layer.
本発明の圧電体積層体は、前記基体と前記圧電体層との間に形成された第１電極と、
前記第１圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有することができる。
The piezoelectric laminate of the present invention includes a first electrode formed between the base and the piezoelectric layer,
And a second electrode formed above the first piezoelectric layer.
本発明にかかる表面弾性波素子は、本発明の圧電体積層体を含む。 The surface acoustic wave device according to the present invention includes the piezoelectric laminate of the present invention.
本発明にかかる薄膜圧電共振子は、本発明の圧電体積層体を含む。 The thin film piezoelectric resonator according to the present invention includes the piezoelectric laminate of the present invention.
本発明にかかる圧電アクチュエータは、本発明の圧電体積層体を含む。 The piezoelectric actuator according to the present invention includes the piezoelectric laminate of the present invention.
本発明にかかる圧電体積層体の製造方法は、
基体の上方に、テンプレート層を化学溶液堆積法によって形成する工程と、
前記テンプレート層の上方にニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層を化学溶液堆積法によって形成する工程と、を含む。
The method for manufacturing a piezoelectric laminate according to the present invention includes:
Forming a template layer above the substrate by chemical solution deposition;
Forming a piezoelectric layer made of potassium sodium niobate above the template layer by a chemical solution deposition method.
本発明の製造方法によれば、テンプレート層を形成することにより、圧電体層の結晶化温度を下げることができ、その結果、Ａサイト元素（カリウムおよびナトリウム）の揮発を抑制できるので所望の組成を有し、かつ優れた結晶性を有するニオブ酸カリウムナトリウム層を得ることができる。 According to the manufacturing method of the present invention, by forming the template layer, the crystallization temperature of the piezoelectric layer can be lowered, and as a result, volatilization of the A-site elements (potassium and sodium) can be suppressed, so that a desired composition can be achieved. In addition, a potassium sodium niobate layer having excellent crystallinity can be obtained.
本発明の製造方法において、前記テンプレート層を形成するための溶液と、前記圧電体層を形成するための溶液とは、同じ組成を有することができる。 In the manufacturing method of the present invention, the solution for forming the template layer and the solution for forming the piezoelectric layer can have the same composition.
本発明の製造方法において、前記テンプレート層を形成する前に、前記基体の上方にランタン酸ニッケルからなる配向制御層を形成する工程を有することができる。 In the manufacturing method of the present invention, before the template layer is formed, a step of forming an orientation control layer made of nickel lanthanum acid above the substrate can be included.
以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
１．圧電体積層体
１．１．第１の圧電体積層体
図１は、本実施形態に係る第１の圧電体積層体１００の一例を模式的に示す断面図である。
1. Piezoelectric laminate 1.1. First Piezoelectric Laminate FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a first piezoelectric laminate 100 according to the present embodiment.
圧電体積層体１００は、基体１と、基体１上に形成された配向制御層２と、配向制御層２上に形成されたニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層３と、圧電体層３上に形成された電極４とを有する。 The piezoelectric laminate 100 includes a base 1, an orientation control layer 2 formed on the base 1, a piezoelectric layer 3 made of potassium sodium niobate formed on the orientation control layer 2, and the piezoelectric layer 3. And an electrode 4 formed on the substrate.
基体１は、圧電体積層体１００の用途によって選択され、その材料、構成は特に限定されない。基体１としては、絶縁性基板、半導体基板等を用いることができる。絶縁性基板としては、たとえばサファイア基板、ＳＴＯ基板、プラスチック基板、ガラス基板などを用いることができ、半導体基板としてはシリコン基板などを用いることができる。また、基体１は、基板単体あるいは基板上に他の層が積層された積層体であってもよい。 The substrate 1 is selected depending on the application of the piezoelectric laminate 100, and its material and configuration are not particularly limited. As the substrate 1, an insulating substrate, a semiconductor substrate, or the like can be used. As the insulating substrate, for example, a sapphire substrate, an STO substrate, a plastic substrate, a glass substrate, or the like can be used. As the semiconductor substrate, a silicon substrate or the like can be used. The substrate 1 may be a single substrate or a laminate in which other layers are laminated on the substrate.
配向制御層２は、バッファ層あるいはシード層と呼ばれ、必要に応じて形成される。配向制御層２は、圧電体層３の結晶配向性を制御する機能を有する。すなわち、配向制御層２上に形成される圧電体層３は、配向制御層２の結晶構造を引き継いだ結晶構造となる。かかる配向制御層２としては、圧電体層３と同様の結晶構造を有する複合酸化物を用いることができる。配向制御層２としては、たとえば、ランタン酸ニッケル（ＬａＮｉＯ３）などのペロブスカイト型酸化物を用いることができる。ランタン酸ニッケルは、多結晶であることができる。配向制御層２は、圧電体層３の配向を制御できればよく、例えば５０ないし１００ｎｍの膜厚を有することができる。 The orientation control layer 2 is called a buffer layer or a seed layer, and is formed as necessary. The orientation control layer 2 has a function of controlling the crystal orientation of the piezoelectric layer 3. That is, the piezoelectric layer 3 formed on the orientation control layer 2 has a crystal structure that inherits the crystal structure of the orientation control layer 2. As the orientation control layer 2, a composite oxide having the same crystal structure as that of the piezoelectric layer 3 can be used. As the orientation control layer 2, for example, a perovskite oxide such as nickel lanthanate (LaNiO 3 ) can be used. The nickel lanthanate can be polycrystalline. The orientation control layer 2 only needs to be able to control the orientation of the piezoelectric layer 3 and can have a thickness of, for example, 50 to 100 nm.
圧電体層３は、配向制御層２上に形成されたテンプレート層３ａと、該テンプレート層３ａ上に形成された圧電体層３ｂとを有する。テンプレート層３ａは、圧電体層３ｂと同じニオブ酸カリウムナトリウム層によって形成される。テンプレート層３ａは、配向制御層２の結晶配向を反映してエピタキシャル成長し、高い結晶性を有する。したがって、テンプレート層３ａが存在することにより、圧電体層３ｂは、テンプレート層３ａがない場合より、さらに優れた結晶性、配向性およびモフォロジーを有し、また、圧電体層３ｂの結晶化温度を下げる機能を有することができる。テンプレート層３ａは、例えば、５ないし１００ｎｍの膜厚を有することができる。 The piezoelectric layer 3 includes a template layer 3a formed on the orientation control layer 2 and a piezoelectric layer 3b formed on the template layer 3a. The template layer 3a is formed of the same potassium sodium niobate layer as the piezoelectric layer 3b. The template layer 3a is epitaxially grown reflecting the crystal orientation of the orientation control layer 2 and has high crystallinity. Therefore, due to the presence of the template layer 3a, the piezoelectric layer 3b has better crystallinity, orientation, and morphology than when the template layer 3a is absent, and the crystallization temperature of the piezoelectric layer 3b is reduced. It can have a lowering function. The template layer 3a can have a film thickness of, for example, 5 to 100 nm.
テンプレート層３ａは、圧電体層３ｂと同じ組成を有することが望ましいが、圧電体層３ｂと異なる材質の層であってもよい。 The template layer 3a desirably has the same composition as the piezoelectric layer 3b, but may be a layer made of a material different from that of the piezoelectric layer 3b.
圧電体層３は、組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体から構成される。前記組成式において、好ましくは０．１＜ａ＜１、より好ましくは０．２≦ａ≦０．７であり、好ましくは１≦ｘ≦１．２、より好ましくは１＜ｘ≦１．１である。組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体は、室温では斜方晶の構造をとる。前記組成式において、「ａ」が上記範囲にあることにより、斜方晶から菱面体晶（a≦０．５５）および斜方晶から単斜晶（０．５５≦a）への相変化温度がマイナス４０℃以下となり、低温領域において安定した特性が得られる点で好ましい。「ａ」が０．１以下であると、結晶化のための熱処理時にカリウムの揮発のために異相が生じ、圧電特性や強誘電体特性などの物性に悪影響を及ぼす。「ｘ」が上記範囲にあることにより、低温にて結晶が形成されるのでカリウムの揮発が抑制され、層密度が向上する点で好ましい。 The piezoelectric layer 3 is composed of a piezoelectric body represented by a composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 . In the composition formula, preferably 0.1 <a <1, more preferably 0.2 ≦ a ≦ 0.7, preferably 1 ≦ x ≦ 1.2, more preferably 1 <x ≦ 1.1. It is. The piezoelectric material represented by the composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 has an orthorhombic structure at room temperature. In the composition formula, when “a” is in the above range, the phase change temperature from orthorhombic to rhombohedral (a ≦ 0.55) and orthorhombic to monoclinic (0.55 ≦ a). Is less than −40 ° C., which is preferable in that stable characteristics can be obtained in a low temperature region. When “a” is 0.1 or less, a heterogeneous phase is generated due to volatilization of potassium during the heat treatment for crystallization, which adversely affects physical properties such as piezoelectric characteristics and ferroelectric characteristics. When “x” is in the above range, crystals are formed at a low temperature, so that volatilization of potassium is suppressed and the layer density is improved.
本実施形態の圧電体層３は、擬立方晶（１００）に優先配向していることが望ましい。 The piezoelectric layer 3 of the present embodiment is preferably preferentially oriented to pseudo cubic (100).
圧電体層３の代表的な膜厚は、圧電体積層体１００の用途によって選択される。圧電体層３の代表的な膜厚は、３００ｎｍから３．０μｍである。ただし、この厚みの上限値に関しては、薄層としての緻密さ、結晶配向性を維持する範囲で厚くすることができ、１０μｍ程度まで許容できる。 A typical film thickness of the piezoelectric layer 3 is selected depending on the application of the piezoelectric laminate 100. A typical film thickness of the piezoelectric layer 3 is 300 nm to 3.0 μm. However, with respect to the upper limit of the thickness, the thickness can be increased as long as the denseness and crystal orientation of the thin layer are maintained, and can be up to about 10 μm.
電極４は、金属層または導電性複合酸化物層から構成できる。電極４は、金属層と導電性複合酸化物層の積層体でもよい。電極４の材料としては、白金、イリジウム、アルミニウムなどの金属層あるいは酸化イリジウムなどの導電性複合酸化物層を用いることができる。 The electrode 4 can be composed of a metal layer or a conductive complex oxide layer. The electrode 4 may be a laminate of a metal layer and a conductive complex oxide layer. As a material of the electrode 4, a metal layer such as platinum, iridium, and aluminum or a conductive complex oxide layer such as iridium oxide can be used.
本実施形態の第１の圧電体積層体１００は、たとえば以下のようにして形成できる。 The first piezoelectric laminate 100 of this embodiment can be formed as follows, for example.
（１） まず、基体１を準備する。基体１は、上述したように圧電体積層体１００の用途で選択される。基体１としては、たとえばＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板、Ｎｂ：ＳＴＯ（ＮｂドープＳｒＴｉＯ３）基板、サファイア基板を用いることができる。 (1) First, the base body 1 is prepared. The substrate 1 is selected depending on the use of the piezoelectric laminate 100 as described above. As the substrate 1, for example, an STO (SrTiO 3 ) substrate, an Nb: STO (Nb-doped SrTiO 3 ) substrate, or a sapphire substrate can be used.
（２） 図１に示すように、基体１上に、例えば多結晶ランタン酸ニッケルからなる配向制御層２を形成する。この配向制御層２は、例えば、スパッタリング等の方法で形成できる。 (2) As shown in FIG. 1, an orientation control layer 2 made of, for example, polycrystalline nickel lanthanate is formed on a substrate 1. The orientation control layer 2 can be formed by a method such as sputtering.
（３） 図１に示すように、配向制御層２上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなるテンプレート層３ａおよびニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層３ｂを順に形成し、上述した組成式で示される圧電体層３を形成する。圧電体層３は、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法などの化学溶液堆積法にて形成することができる。圧電体層３は、前記組成式の組成となる前駆体溶液を用いて塗布層を形成し、該塗布層を結晶化させることにより形成できる。 (3) As shown in FIG. 1, a template layer 3a made of potassium sodium niobate and a piezoelectric layer 3b made of potassium sodium niobate are formed in this order on the orientation control layer 2, and the piezoelectric material represented by the above-described composition formula is formed. The body layer 3 is formed. The piezoelectric layer 3 can be formed by a chemical solution deposition method such as a sol-gel method or a MOD (Metal Organic Decomposition) method. The piezoelectric layer 3 can be formed by forming a coating layer using a precursor solution having a composition of the above composition formula and crystallizing the coating layer.
圧電体層３の形成材料である前駆体溶液については、圧電体層３となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属化合物を各金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製することができる。圧電材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属化合物としては、金属アルコキシドや有機酸塩、βジケトン錯体といった有機金属化合物を用いることができる。具体的には、圧電材料として以下のものが挙げられる。 For the precursor solution that is a material for forming the piezoelectric layer 3, an organometallic compound that includes each of the constituent metals of the piezoelectric material that becomes the piezoelectric layer 3 is mixed so that each metal has a desired molar ratio. These can be prepared by dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. As the organometallic compound containing the constituent metals of the piezoelectric material, organometallic compounds such as metal alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes can be used. Specific examples of the piezoelectric material include the following.
ナトリウム（Ｎａ）を含む有機金属化合物としては、たとえば、ナトリウムエトキシドが挙げられる。カリウム（Ｋ）を含む有機金属化合物としては、たとえば、カリウムエトキシドが挙げられる。ニオブ（Ｎｂ）を含む有機金属化合物としては、たとえばニオブエトキシドが挙げられる。圧電材料の構成金属を含んでなる有機金属化合物は、これらに限定されず、公知のものを用いることができる。 Examples of the organometallic compound containing sodium (Na) include sodium ethoxide. Examples of the organometallic compound containing potassium (K) include potassium ethoxide. Examples of the organometallic compound containing niobium (Nb) include niobium ethoxide. The organometallic compound containing the constituent metal of the piezoelectric material is not limited to these, and known ones can be used.
前駆体溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。さらに、前駆体溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、前駆体溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。 Various additives such as a stabilizer can be added to the precursor solution as necessary. Furthermore, in the case where hydrolysis / polycondensation is caused in the precursor solution, an acid or a base can be added as a catalyst together with an appropriate amount of water to the precursor solution.
テンプレート層３ａは、以下のようにして形成される。すなわち、テンプレート層３ａが所望の組成比となるように、原料溶液を調製する。この原料溶液を配向制御層２上に塗布した後、熱処理を加えて塗層を結晶化させることにより、テンプレート層３ａを形成することができる。具体的には、たとえば、原料溶液の塗布工程、アルコールなどの溶媒の除去工程、塗層の乾燥熱処理工程および脱脂熱処理工程の一連の工程を行い、その後に結晶化アニールにより焼成してテンプレート層３ａを形成する。テンプレート層３ａの結晶化アニールは、５５０ないし７５０℃で行うことができる。テンプレート層３ａは、前述したように、５ないし１００ｎｍの膜厚とすることにより、配向制御層２の配向性を引き継いだ良好な結晶となる。 The template layer 3a is formed as follows. That is, the raw material solution is prepared so that the template layer 3a has a desired composition ratio. After applying this raw material solution on the orientation control layer 2, the template layer 3a can be formed by applying heat treatment to crystallize the coating layer. Specifically, for example, a series of steps including a raw material solution coating step, a solvent removal step such as alcohol, a coating layer drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are performed, and then baked by crystallization annealing to be template layer 3a. Form. The crystallization annealing of the template layer 3a can be performed at 550 to 750 ° C. As described above, the template layer 3a has a film thickness of 5 to 100 nm, so that the template layer 3a becomes a good crystal inheriting the orientation of the orientation control layer 2.
次に、圧電体層３ｂは、テンプレート層３ａ上に以下のようにして形成される。すなわち、圧電体層３ｂが所望の組成比となるように、原料溶液を調製する。この原料溶液をテンプレート層３ａ上に塗布した後、熱処理を加えて塗層を結晶化させることにより、圧電体層３ｂを形成することができる。具体的には、たとえば、原料溶液の塗布工程、アルコールなどの溶媒の除去工程、塗層の乾燥熱処理工程および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行い、その後に結晶化アニールにより焼成して圧電体層３ｂを形成する。また、上述した塗布工程、溶媒の除去工程、塗層の乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程および結晶化アニール工程からなる一連の工程を所望の回数行うことにより、圧電体層３ｂを形成することもできる。圧電体層３ｂの結晶化アニールは、テンプレート層３ａの結晶化アシストによって結晶化温度をテンプレート層３ａがない場合に比べて低くでき、５５０ないし６５０℃で行うことができる。このように圧電体層３ｂの結晶化温度を下げることにより、揮発しやすいＡサイト元素（カリウムおよびナトリウム）の揮発を抑制でき、所望の組成を有するニオブ酸カリウムナトリウム層を得ることができる。 Next, the piezoelectric layer 3b is formed on the template layer 3a as follows. That is, the raw material solution is prepared so that the piezoelectric layer 3b has a desired composition ratio. After applying this raw material solution on the template layer 3a, the piezoelectric layer 3b can be formed by applying heat treatment to crystallize the coating layer. Specifically, for example, a series of steps including a raw material solution coating step, a solvent removal step such as alcohol, a coating layer drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are performed as many times as desired, and then fired by crystallization annealing. The piezoelectric layer 3b is formed. Also, the piezoelectric layer 3b can be formed by performing a series of steps including the above-described coating step, solvent removal step, coating layer drying heat treatment step, degreasing heat treatment step, and crystallization annealing step a desired number of times. . The crystallization annealing of the piezoelectric layer 3b can be performed at 550 to 650 ° C. with the crystallization assist of the template layer 3a, the crystallization temperature can be lowered as compared with the case without the template layer 3a. Thus, by lowering the crystallization temperature of the piezoelectric layer 3b, volatilization of easily volatile A-site elements (potassium and sodium) can be suppressed, and a potassium sodium niobate layer having a desired composition can be obtained.
（４） 図１に示すように、圧電体層３上に、電極４を形成する。電極４を構成する金属層あるいは導電性複合酸化物層は、たとえば公知のスパッタリングなどによって形成される。 (4) As shown in FIG. 1, the electrode 4 is formed on the piezoelectric layer 3. The metal layer or the conductive complex oxide layer constituting the electrode 4 is formed by, for example, known sputtering.
（５） 次に、必要に応じて、ポストアニールを酸素雰囲気中でＲＴＡ（ラピッドサーマルアニール）等を用いて行うことができる。これにより、電極４と圧電体層３との良好な界面を形成することができ、かつ圧電体層３の結晶性を改善することができる。 (5) Next, post-annealing can be performed in an oxygen atmosphere using RTA (rapid thermal annealing) or the like, if necessary. Thereby, a good interface between the electrode 4 and the piezoelectric layer 3 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 3 can be improved.
以上の工程によって、本実施形態にかかる第１の圧電体積層体１００を製造することができる。 Through the above steps, the first piezoelectric laminate 100 according to the present embodiment can be manufactured.
以上のようにして、圧電体層３を形成することにより、圧電体層３は、組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体から構成される。この圧電体は、室温では斜方晶の構造を有するペロブスカイト型酸化物である。また、圧電体層３は、配向制御層２上に形成されることにより、高い結晶性および配向性を有する。さらに、テンプレート層３ａを形成することにより、圧電体層３ａの結晶化温度を下げることができ、その結果、Ａサイト元素（カリウムおよびナトリウム）の揮発を抑制できるので所望の組成を有し、かつ優れた結晶性を有するニオブ酸カリウムナトリウム層を得ることができる。 By forming the piezoelectric layer 3 as described above, the piezoelectric layer 3 is composed of a piezoelectric body represented by the composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 . This piezoelectric material is a perovskite oxide having an orthorhombic structure at room temperature. In addition, the piezoelectric layer 3 is formed on the orientation control layer 2 to have high crystallinity and orientation. Furthermore, by forming the template layer 3a, the crystallization temperature of the piezoelectric layer 3a can be lowered, and as a result, the volatilization of the A-site elements (potassium and sodium) can be suppressed, so that it has a desired composition, and A potassium sodium niobate layer having excellent crystallinity can be obtained.
１．２．第２の圧電体積層体
図２は、本実施形態に係る第２の圧電体積層体２００の一例を模式的に示す断面図である。
1.2. Second Piezoelectric Laminate FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the second piezoelectric laminate 200 according to the present embodiment.
圧電体積層体２００は、基体１と、基体１上に形成された第１電極（下部電極）５と、下部電極５上に形成された配向制御層２と、配向制御層２上に形成されたニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層３と、圧電体層３上に形成された第２電極（上部電極）４とを含む。 The piezoelectric laminate 200 is formed on the substrate 1, the first electrode (lower electrode) 5 formed on the substrate 1, the alignment control layer 2 formed on the lower electrode 5, and the alignment control layer 2. In addition, a piezoelectric layer 3 made of potassium sodium niobate and a second electrode (upper electrode) 4 formed on the piezoelectric layer 3 are included.
基体１は、圧電体積層体２００の用途によって選択され、その材料、構成は特に限定されない。基体１としては、第１の圧電体積層体１００で述べたと同様のものを用いることができる。 The substrate 1 is selected depending on the application of the piezoelectric laminate 200, and its material and configuration are not particularly limited. As the substrate 1, the same substrate as described in the first piezoelectric laminate 100 can be used.
下部電極５は、白金族などの金属層あるいは導電性複合酸化物層を用いることができる。また、下部電極５としては、金属層と導電性複合酸化物層とが積層された多層構造を有する導電層を用いることができる。 For the lower electrode 5, a metal layer such as a platinum group or a conductive complex oxide layer can be used. Moreover, as the lower electrode 5, a conductive layer having a multilayer structure in which a metal layer and a conductive complex oxide layer are stacked can be used.
配向制御層２は、第１の圧電体積層体１００で述べたように、バッファ層あるいはシード層と呼ばれ、必要に応じて形成される。配向制御層２は、圧電体層３の結晶配向性を制御する機能を有する。かかる配向制御層２としては、圧電体層３と同様の結晶構造を有する複合酸化物を用いることができる。配向制御層２としては、たとえば、ランタン酸ニッケル（ＬａＮｉＯ３）などのペロブスカイト型酸化物を用いることができる。配向制御層２は、圧電体層３の配向を制御できればよく、例えば５ないし１００ｎｍの膜厚を有することができる。ランタン酸ニッケルからなる配向制御層２は、導電性を有し、下部電極としても機能する。 As described in the first piezoelectric laminate 100, the orientation control layer 2 is called a buffer layer or a seed layer, and is formed as necessary. The orientation control layer 2 has a function of controlling the crystal orientation of the piezoelectric layer 3. As the orientation control layer 2, a composite oxide having the same crystal structure as that of the piezoelectric layer 3 can be used. As the orientation control layer 2, for example, a perovskite oxide such as nickel lanthanate (LaNiO 3 ) can be used. The orientation control layer 2 only needs to be able to control the orientation of the piezoelectric layer 3, and may have a film thickness of, for example, 5 to 100 nm. The orientation control layer 2 made of nickel lanthanate has conductivity and also functions as a lower electrode.
圧電体層３は、第１の圧電体積層体１００における圧電体層３と同様である。すなわち、圧電体層３は、配向制御層２上に形成されたテンプレート層３ａと、該テンプレート層３ａ上に形成された圧電体層３ｂとを有する。テンプレート層３ａは、圧電体層３ｂと同じニオブ酸カリウムナトリウム層によって形成される。テンプレート層３ａは、配向制御層２の結晶配向を反映してエピタキシャル成長し、高い結晶性を有する。したがって、テンプレート層３ａが存在することにより、圧電体層３ｂは、テンプレート層３ａがない場合より、さらに優れた結晶性、配向性およびモフォロジーを有し、圧電体層３ｂの結晶化温度を下げることができる。 The piezoelectric layer 3 is the same as the piezoelectric layer 3 in the first piezoelectric laminate 100. That is, the piezoelectric layer 3 includes a template layer 3a formed on the orientation control layer 2 and a piezoelectric layer 3b formed on the template layer 3a. The template layer 3a is formed of the same potassium sodium niobate layer as the piezoelectric layer 3b. The template layer 3a is epitaxially grown reflecting the crystal orientation of the orientation control layer 2 and has high crystallinity. Therefore, the presence of the template layer 3a allows the piezoelectric layer 3b to have further superior crystallinity, orientation, and morphology compared to the case without the template layer 3a, and lower the crystallization temperature of the piezoelectric layer 3b. Can do.
圧電体層３は、組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体から構成される。前記組成式において、好ましくは０．１＜ａ＜１、より好ましくは０．２≦ａ≦０．７であり、好ましくは１≦ｘ≦１．２、より好ましくは１＜ｘ≦１．１である。組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体は、室温では斜方晶の構造をとる。前記組成式において、「ａ」が上記範囲にあることにより、斜方晶から菱面体晶（a≦０．５５）および斜方晶から単斜晶（０．５５≦a）への相変化温度がマイナス４０℃以下となり、低温領域において安定した特性が得られる点で好ましい。組成式における「ａ」および「ｘ」の数値範囲に関する事項および圧電体層３の特徴は、第１の圧電体積層体１００で述べたと同様であるので、詳細な記載を省略する。 The piezoelectric layer 3 is composed of a piezoelectric body represented by a composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 . In the composition formula, preferably 0.1 <a <1, more preferably 0.2 ≦ a ≦ 0.7, preferably 1 ≦ x ≦ 1.2, more preferably 1 <x ≦ 1.1. It is. The piezoelectric material represented by the composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 has an orthorhombic structure at room temperature. In the composition formula, when “a” is in the above range, the phase change temperature from orthorhombic to rhombohedral (a ≦ 0.55) and orthorhombic to monoclinic (0.55 ≦ a). Is less than −40 ° C., which is preferable in that stable characteristics can be obtained in a low temperature region. Since the matters relating to the numerical ranges of “a” and “x” in the composition formula and the characteristics of the piezoelectric layer 3 are the same as those described in the first piezoelectric laminate 100, detailed description thereof is omitted.
上部電極４は、下部電極５と同様に、金属層または導電性複合酸化物層、あるいはそれらの積層体からなることができる。すなわち、上部電極４は、白金、イリジウムなどの金属層あるいは酸化イリジウムなどの導電性複合酸化物層を用いることができる。 Similar to the lower electrode 5, the upper electrode 4 can be made of a metal layer, a conductive complex oxide layer, or a laminate thereof. That is, the upper electrode 4 can use a metal layer such as platinum or iridium or a conductive complex oxide layer such as iridium oxide.
本実施形態の第２の圧電体積層体２００は、たとえば以下のようにして形成できる。 The second piezoelectric laminate 200 of this embodiment can be formed as follows, for example.
（１） まず、基体１を準備する。基体１としては、第１の圧電体積層体１００で述べた基体１と同様のものを用いることができる。基体１としては、たとえばシリコン基板を用いることができる。 (1) First, the base body 1 is prepared. As the substrate 1, the same substrate 1 as described in the first piezoelectric laminate 100 can be used. As the substrate 1, for example, a silicon substrate can be used.
（２） 図２に示すように、基体１上に、下部電極５を形成する。下部電極５を構成する金属層または導電性複合酸化物層は、たとえば公知のスパッタリング法などによって形成される。 (2) As shown in FIG. 2, the lower electrode 5 is formed on the substrate 1. The metal layer or conductive complex oxide layer constituting the lower electrode 5 is formed by, for example, a known sputtering method.
（３） 図２に示すように、基体１上に、例えば多結晶ランタン酸ニッケルからなる配向制御層２を形成する。この配向制御層２は、例えば、スパッタリング等の方法で形成できる。 (3) As shown in FIG. 2, an orientation control layer 2 made of, for example, polycrystalline nickel lanthanate is formed on the substrate 1. The orientation control layer 2 can be formed by a method such as sputtering.
（４） 図２に示すように、下部電極５上に、ニオブ酸カリウムナトリウムからなるテンプレート層３ａおよびニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層３ｂを順に形成し、上述した組成式で示される圧電体層３を形成する。圧電体層３は、ゾルゲル法やＭＯＤ法などの化学溶液堆積法にて形成することができる。テンプレート層３ａおよび圧電体層３ｂの形成方法は、第１の圧電体積層体１００の場合と同様であるので、詳細な説明を省略する。 (4) As shown in FIG. 2, a template layer 3a made of potassium sodium niobate and a piezoelectric layer 3b made of potassium sodium niobate are sequentially formed on the lower electrode 5, and the piezoelectric body represented by the above-described composition formula Layer 3 is formed. The piezoelectric layer 3 can be formed by a chemical solution deposition method such as a sol-gel method or a MOD method. The method for forming the template layer 3a and the piezoelectric layer 3b is the same as in the case of the first piezoelectric laminate 100, and a detailed description thereof will be omitted.
（５） 図２に示すように、圧電体層３上に、上部電極４を形成する。上部電極４を構成する金属層または導電性複合酸化物層の構成、形成方法については、第１の圧電体積層体１００の電極４と同様であるので、詳細な説明を省略する。 (5) As shown in FIG. 2, the upper electrode 4 is formed on the piezoelectric layer 3. Since the configuration and formation method of the metal layer or the conductive complex oxide layer constituting the upper electrode 4 are the same as those of the electrode 4 of the first piezoelectric laminate 100, detailed description thereof is omitted.
（６） 次に、必要に応じて、ポストアニールを酸素雰囲気中でＲＴＡ等を用いて行うことができる。これにより、下部電極５（配向制御層２），上部電極４と圧電体層３との良好な界面を形成することができ、かつ圧電体層３の結晶性を改善することができる。 (6) Next, if necessary, post-annealing can be performed in an oxygen atmosphere using RTA or the like. Thereby, a favorable interface between the lower electrode 5 (orientation control layer 2), the upper electrode 4 and the piezoelectric layer 3 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 3 can be improved.
以上の工程によって、本実施形態にかかる第２の圧電体積層体２００を製造することができる。 Through the above steps, the second piezoelectric laminate 200 according to this embodiment can be manufactured.
以上のようにして、圧電体層３を形成することにより、圧電体層３は、組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表される圧電体から構成される。この圧電体は、室温では斜方晶の構造を有するペロブスカイト型酸化物である。また、圧電体層３は、配向制御層２上に形成されることにより、高い結晶性および配向性を有する。さらに、テンプレート層３ａを形成することにより、圧電体層３ａの結晶化温度を下げることができ、その結果、Ａサイト元素（カリウムおよびナトリウム）の揮発を抑制できので所望の組成を有し、かつ優れた結晶性を有するニオブ酸カリウムナトリウム層を得ることができる。 By forming the piezoelectric layer 3 as described above, the piezoelectric layer 3 is composed of a piezoelectric body represented by the composition formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 . This piezoelectric material is a perovskite oxide having an orthorhombic structure at room temperature. In addition, the piezoelectric layer 3 is formed on the orientation control layer 2 to have high crystallinity and orientation. Furthermore, by forming the template layer 3a, the crystallization temperature of the piezoelectric layer 3a can be lowered, and as a result, the volatilization of the A-site elements (potassium and sodium) can be suppressed, so that it has a desired composition, and A potassium sodium niobate layer having excellent crystallinity can be obtained.
なお、圧電体層３は、ゾルゲル法やＭＯＤ法の液相法のみならず、レーザーアブレーション法やスパッタ法等の気相法を用いて形成することもできる。 The piezoelectric layer 3 can be formed not only by a liquid phase method such as a sol-gel method or a MOD method, but also by a vapor phase method such as a laser ablation method or a sputtering method.
第１、第２の圧電体積層体１００，２００は、圧電特性に優れた圧電体層３を有し、後述する各種の用途に好適に適用できる。 The first and second piezoelectric laminates 100 and 200 have the piezoelectric layer 3 having excellent piezoelectric characteristics, and can be suitably applied to various uses described later.
２．実施例
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
2. Examples Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
２．１．実施例１、参考例１
カリウムエトキシド、ナトリウムエトキシドおよびニオブエトキシドを、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ＝１．０：０．２：１．０のモル比で混合し、この混合液をブチルセロソルブ中で還流し、トリプルアルコキシド溶液を調整した。さらに、この溶液の安定化剤としてジエタノールアミンを添加した。このようにして前駆体溶液を調整した。なお、ジエタノールアミンの代わりに酢酸を用いることもできる。この前駆体溶液を、配向制御層として多結晶ランタン酸ニッケル層を形成した基体（ランタン酸ニッケル層／白金層／酸化シリコン層／シリコン基板）上にスピンコート法により塗布し、ホットプレート上で乾燥、仮焼成した後、７００℃にてラピッドサーマルアニールを施し、膜厚約３０ｎｍのテンプレート層を得た。
2.1. Example 1, Reference Example 1
Potassium ethoxide, sodium ethoxide and niobium ethoxide were mixed at a molar ratio of K: Na: Nb = 1.0: 0.2: 1.0, and the mixture was refluxed in butyl cellosolve to obtain a triple alkoxide solution. Adjusted. Furthermore, diethanolamine was added as a stabilizer for this solution. In this way, a precursor solution was prepared. Acetic acid can also be used in place of diethanolamine. This precursor solution is applied by spin coating on a substrate (nickel lanthanum layer / platinum layer / silicon oxide layer / silicon substrate) on which a polycrystalline nickel lanthanum layer is formed as an orientation control layer, and dried on a hot plate. After calcination, rapid thermal annealing was performed at 700 ° C. to obtain a template layer having a thickness of about 30 nm.
次いで、カリウムエトキシド、ナトリウムエトキシドおよびニオブエトキシドを、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ＝１．０：０．２：１．０のモル比で混合し、この混合液をブチルセロソルブ中で還流し、トリプルアルコキシド溶液を調整した。さらに、この溶液の安定化剤としてジエタノールアミンを添加した。このようにして前駆体溶液を調整した。この前駆体溶液をテンプレート層上にスピンコート法により塗布し、ホットプレート上で乾燥、仮焼成した後、６５０℃にてラピッドサーマルアニールを施し、ニオブ酸カリウムナトリウム層を形成した。この工程を８回繰り返して、厚さ約１μｍの多結晶ニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ）層を得た。 Then, potassium ethoxide, sodium ethoxide and niobium ethoxide were mixed at a molar ratio of K: Na: Nb = 1.0: 0.2: 1.0, and the mixture was refluxed in butyl cellosolve. An alkoxide solution was prepared. Furthermore, diethanolamine was added as a stabilizer for this solution. In this way, a precursor solution was prepared. This precursor solution was applied onto the template layer by spin coating, dried on a hot plate and pre-baked, and then subjected to rapid thermal annealing at 650 ° C. to form a potassium sodium niobate layer. This process was repeated 8 times to obtain a polycrystalline sodium potassium niobate (KNN) layer having a thickness of about 1 μm.
このサンプルを用いて、その断面をＳＥＭにて観察したところ、図３（Ａ）に示す結果が得られた。この結果から、本実施例のサンプルは、緻密で良好な結晶性を有することが確認された。また、このサンプルについて、ＸＲＤによって結晶性を調べたところ、図４（Ａ）に示す結果が得られた。この結果から、本実施例では、ＫＮＮ層は、１μｍの膜厚であっても、（１００）に単一配向していることが確認された。 When the cross section of this sample was observed with an SEM, the result shown in FIG. 3A was obtained. From this result, it was confirmed that the sample of the present example was dense and had good crystallinity. Further, when the crystallinity of this sample was examined by XRD, the result shown in FIG. 4 (A) was obtained. From this result, in this example, it was confirmed that the KNN layer was unidirectionally oriented to (100) even when the film thickness was 1 μm.
参考例１として、実施例１における配向制御層を形成しない他は、実施例１と同様にしてＫＮＮ層を形成した。このＫＮＮ層をＸＲＤによって結晶性を調べた。その結果を図４（Ｂ）に示す。この結果から、白金層上にＫＮＮ層を形成すると、ＫＮＮ層はランダム配向することが確認された。 As Reference Example 1, a KNN layer was formed in the same manner as in Example 1 except that the alignment control layer in Example 1 was not formed. The crystallinity of this KNN layer was examined by XRD. The result is shown in FIG. From this result, it was confirmed that when the KNN layer was formed on the platinum layer, the KNN layer was randomly oriented.
２．２．実施例２
実施例１における、カリウムに対するナトリウムのモル比（モル％）を表１に示すように代えた他は、実施例１と同様にしてＫＮＮ層を形成した。すなわち、前駆体溶液中のカリウムに対するナトリウム量（過剰Ｎａ量）を、１０モル％，２０モル％，４０モル％および５０モル％に調製した。その結果、４種の厚さ約１μｍの多結晶ＫＮＮ層を得た。
2.2. Example 2
A KNN layer was formed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio (mol%) of sodium to potassium in Example 1 was changed as shown in Table 1. That is, the sodium amount (excess Na amount) with respect to potassium in the precursor solution was adjusted to 10 mol%, 20 mol%, 40 mol%, and 50 mol%. As a result, four types of polycrystalline KNN layers having a thickness of about 1 μm were obtained.
得られたＫＮＮ層について、組成分析を行った。具体的には、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）発光分析法によって、実施例２にかかるＫＮＮ層の組成分析を行った。その結果を表１に示す。表１より、実施例のＫＮＮ層では、式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３におけるｘは１より大きく、Ｎｂに対して、ＫおよびＮａが化学量論組成に比べて過剰に含まれることが確認された。また、前駆体溶液におけるＮａ量を増加させても「ｘ」の値は最大で約１．１であった。 The composition of the obtained KNN layer was analyzed. Specifically, the composition analysis of the KNN layer according to Example 2 was performed by ICP (inductively coupled plasma) emission analysis. The results are shown in Table 1. From Table 1, in the KNN layer of the example, x in the formula (K a Na 1-a ) x NbO 3 is larger than 1, and K and Na are excessively contained in the Nb compared to the stoichiometric composition. It was confirmed. Further, even when the amount of Na in the precursor solution was increased, the value of “x” was about 1.1 at the maximum.
２．３．比較例１
テンプレート層を形成しない他は、実施例１と同様にして、基体上に膜厚約１μｍのＫＮＮ層を形成した。このサンプルを用いて、その断面をＳＥＭにて観察したところ、図３（Ｂ）に示す結果が得られた。この結果から、本比較例１のサンプルは、実施例１に比べて、結晶性が劣ることが確認された。
2.3. Comparative Example 1
A KNN layer having a thickness of about 1 μm was formed on the substrate in the same manner as in Example 1 except that the template layer was not formed. When the cross section of this sample was observed with an SEM, the result shown in FIG. 3B was obtained. From this result, it was confirmed that the sample of Comparative Example 1 was inferior in crystallinity as compared with Example 1.
３．適用例
３．１．表面弾性波素子
次に、本発明の第１の圧電体積層体１００を適用した表面弾性波素子の一例について、図面を参照しながら説明する。
3. Application example 3.1. Surface Acoustic Wave Element Next, an example of a surface acoustic wave element to which the first piezoelectric laminate 100 of the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
図５は、本実施形態に係る表面弾性波素子３００を模式的に示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the surface acoustic wave device 300 according to the present embodiment.
表面弾性波素子３００は、図１に示す第１の圧電体積層体１００を適用して形成される。すなわち、表面弾性波素子３００は、圧電体積層体１００における基体１と、基体１上に形成された配向制御層２と、配向制御層２上に形成された圧電体層３と、圧電体層３上に形成された電極、すなわちインターディジタル型電極（以下、「ＩＤＴ電極」という）１８，１９と、を含む。ＩＤＴ電極１８，１９は、図１に示す電極４をパターニングして形成される。 The surface acoustic wave element 300 is formed by applying the first piezoelectric laminate 100 shown in FIG. That is, the surface acoustic wave device 300 includes a base 1 in the piezoelectric laminate 100, an orientation control layer 2 formed on the base 1, a piezoelectric layer 3 formed on the orientation control layer 2, and a piezoelectric layer. 3, that is, interdigital electrodes (hereinafter referred to as “IDT electrodes”) 18 and 19. The IDT electrodes 18 and 19 are formed by patterning the electrode 4 shown in FIG.
３．２．周波数フィルタ
次に、本発明の表面弾性波素子を適用した周波数フィルタの一例について、図面を参照しながら説明する。図６は、周波数フィルタを模式的に示す図である。
3.2. Frequency Filter Next, an example of a frequency filter to which the surface acoustic wave device of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the frequency filter.
図６に示すように、周波数フィルタは積層体１４０を有する。この積層体１４０としては、上述した表面弾性波素子３００と同様の積層体（図５参照）を用いることができる。すなわち、積層体１４０は、図１に示す基体１と、配向制御層２と、圧電体層３とを有することができる。 As shown in FIG. 6, the frequency filter has a stacked body 140. As this laminated body 140, the laminated body (refer FIG. 5) similar to the surface acoustic wave element 300 mentioned above can be used. That is, the laminate 140 can include the base body 1, the orientation control layer 2, and the piezoelectric layer 3 shown in FIG. 1.
積層体１４０は、その上面に、図１に示す電極４をパターニングして形成されるＩＤＴ電極１４１、１４２を有する。また、ＩＤＴ電極１４１、１４２を挟むように、積層体１４０の上面には吸音部１４３、１４４が形成されている。吸音部１４３、１４４は、積層体１４０の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。一方のＩＤＴ電極１４１には高周波信号源１４５が接続されており、他方のＩＤＴ電極１４２には信号線が接続されている。 The laminated body 140 has IDT electrodes 141 and 142 formed by patterning the electrode 4 shown in FIG. In addition, sound absorbing portions 143 and 144 are formed on the upper surface of the laminate 140 so as to sandwich the IDT electrodes 141 and 142. The sound absorbing parts 143 and 144 absorb surface acoustic waves that propagate on the surface of the laminate 140. One IDT electrode 141 is connected to a high frequency signal source 145, and the other IDT electrode 142 is connected to a signal line.
３．３．発振器
次に、本発明の表面弾性波素子を適用した発振器の一例について、図面を参照しながら説明する。図７は、発振器を模式的に示す図である。
3.3. Oscillator Next, an example of an oscillator to which the surface acoustic wave device of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a diagram schematically showing the oscillator.
図７に示すように、発振器は積層体１５０を有する。この積層体１５０としては、上述した表面弾性波素子３００と同様の積層体（図５参照）を用いることができる。すなわち、積層体１５０は、図１に示す基体１と、配向制御層２と、圧電体層３とを有することができる。 As shown in FIG. 7, the oscillator has a stacked body 150. As this laminated body 150, the laminated body (refer FIG. 5) similar to the surface acoustic wave element 300 mentioned above can be used. That is, the multilayer body 150 can include the substrate 1, the orientation control layer 2, and the piezoelectric layer 3 shown in FIG. 1.
積層体１５０の上面には、図１に示す電極４をパターニングして形成される、ＩＤＴ電極１５１が形成されており、さらに、ＩＤＴ電極１５１を挟むように、ＩＤＴ電極１５２、１５３が形成されている。ＩＤＴ電極１５１を構成する一方の櫛歯状電極１５１ａには、高周波信号源１５４が接続されており、他方の櫛歯状電極１５１ｂには、信号線が接続されている。なお、ＩＤＴ電極１５１は、電気信号印加用電極に相当し、ＩＤＴ電極１５２、１５３は、ＩＤＴ電極１５１によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。 An IDT electrode 151 formed by patterning the electrode 4 shown in FIG. 1 is formed on the upper surface of the multilayer body 150, and IDT electrodes 152 and 153 are formed so as to sandwich the IDT electrode 151. Yes. A high frequency signal source 154 is connected to one comb-like electrode 151a constituting the IDT electrode 151, and a signal line is connected to the other comb-like electrode 151b. The IDT electrode 151 corresponds to an electric signal applying electrode, and the IDT electrodes 152 and 153 are used for resonance to resonate a specific frequency component of a surface acoustic wave generated by the IDT electrode 151 or a frequency component of a specific band. It corresponds to an electrode.
また、前述した発振器をＶＣＳＯ（Voltage Controlled ＳＡＷ Oscillator：電圧制御ＳＡＷ発振器）に応用することもできる。 The above-described oscillator can also be applied to a VCSO (Voltage Controlled SAW Oscillator).
以上述べたように、周波数フィルタおよび発振器は、本発明に係る表面弾性波素子を有することができる。 As described above, the frequency filter and the oscillator can have the surface acoustic wave device according to the present invention.
３．４．薄膜圧電共振子
次に、本発明の圧電体積層体を適用した薄膜圧電共振子の一例について、図面を参照しながら説明する。
3.4. Thin Film Piezoelectric Resonator Next, an example of a thin film piezoelectric resonator to which the piezoelectric laminate of the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
３．４．１．第１の薄膜圧電共振子
図８は、本実施形態の一例である第１の薄膜圧電共振子７００を模式的に示す図である。第１の薄膜圧電共振子７００は、ダイアフラム型の薄膜圧電共振子である。
3.4.1. First Thin Film Piezoelectric Resonator FIG. 8 is a diagram schematically showing a first thin film piezoelectric resonator 700 which is an example of the present embodiment. The first thin film piezoelectric resonator 700 is a diaphragm type thin film piezoelectric resonator.
第１の薄膜圧電共振子７００は、基板７０１と、弾性層７０３と、下部電極７０４と、圧電体層７０５と、上部電極７０６と、を含む。薄膜圧電共振子７００における基板７０１と、下部電極７０４、圧電体層７０５、および上部電極７０６は、それぞれ図２に示す圧電体積層体２００における基体１、下部電極５、配向制御層２、圧電体層３、および上部電極４に相当する。また、弾性層７０３としては、図２において図示しないバッファ層などの層を用いることができる。すなわち、第１の薄膜圧電共振子７００は、図２に示す圧電体積層体２００を有する。 The first thin film piezoelectric resonator 700 includes a substrate 701, an elastic layer 703, a lower electrode 704, a piezoelectric layer 705, and an upper electrode 706. The substrate 701, the lower electrode 704, the piezoelectric layer 705, and the upper electrode 706 in the thin film piezoelectric resonator 700 are respectively the base 1, the lower electrode 5, the orientation control layer 2, and the piezoelectric body in the piezoelectric laminate 200 shown in FIG. It corresponds to the layer 3 and the upper electrode 4. Further, as the elastic layer 703, a layer such as a buffer layer (not shown in FIG. 2) can be used. That is, the first thin film piezoelectric resonator 700 has the piezoelectric laminate 200 shown in FIG.
基板７０１には、基板７０１を貫通するビアホール７０２が形成されている。上部電極７０６上には、配線７０８が設けられている。配線７０８は、弾性層７０３上に形成された電極７０９と、パッド７１０を介して電気的に接続されている。 A via hole 702 that penetrates the substrate 701 is formed in the substrate 701. A wiring 708 is provided on the upper electrode 706. The wiring 708 is electrically connected to an electrode 709 formed on the elastic layer 703 through a pad 710.
３．４．２．第２の薄膜圧電共振子
図９は、本実施形態の一例である第２の薄膜圧電共振子８００を模式的に示す図である。第２の薄膜圧電共振子８００が図８に示す第１の薄膜圧電共振子７００と主に異なるところは、ビアホールを形成せず、基板８０１と弾性層８０３との間にエアギャップ８０２を形成した点にある。
3.4.2. Second Thin Film Piezoelectric Resonator FIG. 9 is a diagram schematically showing a second thin film piezoelectric resonator 800 which is an example of this embodiment. The second thin film piezoelectric resonator 800 is different from the first thin film piezoelectric resonator 700 shown in FIG. 8 mainly in that an air gap 802 is formed between the substrate 801 and the elastic layer 803 without forming a via hole. In the point.
第２の薄膜圧電共振子８００は、基板８０１と、弾性層８０３と、下部電極８０４と、圧電体層８０５と、上部電極８０６と、を含む。薄膜圧電共振子８００における基板８０１、下部電極８０４、圧電体層８０５、および上部電極８０６は、それぞれ図２に示す圧電体積層体２００における基体１、下部電極５、配向制御層２、圧電体層３、および上部電極４に相当する。また、弾性層８０３としては、図２における配向制御層２などの層を用いることができる。すなわち、第２の薄膜圧電共振子８００は、図２に示す圧電体積層体２００を有する。エアギャップ８０２は、基板８０１と、弾性層８０３との間に形成された空間である。 The second thin film piezoelectric resonator 800 includes a substrate 801, an elastic layer 803, a lower electrode 804, a piezoelectric layer 805, and an upper electrode 806. The substrate 801, the lower electrode 804, the piezoelectric layer 805, and the upper electrode 806 in the thin film piezoelectric resonator 800 are respectively the base 1, the lower electrode 5, the orientation control layer 2, and the piezoelectric layer in the piezoelectric laminate 200 shown in FIG. 3 and the upper electrode 4. As the elastic layer 803, a layer such as the orientation control layer 2 in FIG. 2 can be used. That is, the second thin film piezoelectric resonator 800 has the piezoelectric laminate 200 shown in FIG. The air gap 802 is a space formed between the substrate 801 and the elastic layer 803.
本実施形態に係る圧電薄層共振子（例えば、第１の薄膜圧電共振子７００および第２の薄膜圧電共振子８００）は、共振子、周波数フィルタ、または、発振器として機能することができる。 The piezoelectric thin layer resonator according to the present embodiment (for example, the first thin film piezoelectric resonator 700 and the second thin film piezoelectric resonator 800) can function as a resonator, a frequency filter, or an oscillator.
３．５．圧電アクチュエータ
本発明の第２の圧電体積層体２００を圧電アクチュエータに適応した例として、インクジェット式記録ヘッドについて説明する。図１０は、本実施形態に係る圧電アクチュエータを適用したインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図１１は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
3.5. Piezoelectric Actuator An ink jet recording head will be described as an example in which the second piezoelectric laminate 200 of the present invention is applied to a piezoelectric actuator. FIG. 10 is a side sectional view showing a schematic configuration of an ink jet recording head to which the piezoelectric actuator according to the present embodiment is applied. FIG. 11 is an exploded perspective view of the ink jet recording head, and is a state in which it is normally used. Is shown upside down.
図１０および図１１に示すように、インクジェット式記録ヘッド５０は、ヘッド本体５７と、ヘッド本体５７上に形成される圧電部５４と、を含む。圧電部５４には図２に示す圧電体積層体２００が適用され、下部電極５、配向制御層２、圧電体層３および上部電極４が順に積層して構成されている。インクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電部５４は、圧電アクチュエータとして機能する。 As shown in FIGS. 10 and 11, the ink jet recording head 50 includes a head main body 57 and a piezoelectric portion 54 formed on the head main body 57. A piezoelectric laminate 200 shown in FIG. 2 is applied to the piezoelectric portion 54, and the lower electrode 5, the orientation control layer 2, the piezoelectric layer 3, and the upper electrode 4 are sequentially laminated. In the ink jet recording head, the piezoelectric unit 54 functions as a piezoelectric actuator.
ヘッド本体５７は、ノズル板５１と、インク室基板５２と、弾性層５５と、から構成されている。図２に示す圧電体積層体２００における基体１は、図１０における弾性層５５を構成する。弾性層５５としては、図２における配向制御層２などの層を用いることができる。また、圧電体積層体２００における基体１は、図１０におけるインク室基板５２を構成する。インク室基板５２にはキャビティ５２１が形成されている。また、ノズル板５１には、キャビティ５２１と連続するノズル５１１が形成されている。そして、図１１に示すように、これらが筐体５６に収納されて、インクジェット式記録ヘッド５０が構成されている。ノズル５１１の穴径は１０〜３０μｍである。またノズル５１１は、１インチあたり９０ノズルないし３００ノズルのピッチで形成される。 The head main body 57 includes a nozzle plate 51, an ink chamber substrate 52, and an elastic layer 55. The substrate 1 in the piezoelectric laminate 200 shown in FIG. 2 constitutes the elastic layer 55 in FIG. As the elastic layer 55, a layer such as the orientation control layer 2 in FIG. 2 can be used. Further, the substrate 1 in the piezoelectric laminate 200 constitutes the ink chamber substrate 52 in FIG. A cavity 521 is formed in the ink chamber substrate 52. In addition, a nozzle 511 that is continuous with the cavity 521 is formed on the nozzle plate 51. Then, as shown in FIG. 11, these are housed in a housing 56 to constitute an ink jet recording head 50. The hole diameter of the nozzle 511 is 10 to 30 μm. The nozzles 511 are formed at a pitch of 90 to 300 nozzles per inch.
各圧電部は、圧電素子駆動回路（図示しない）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエータ）として機能する。弾性層５５は、圧電部５４の振動（たわみ）によって振動し、キャビティ５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。圧電体への最大印加電圧は２０Ｖ〜４０Ｖであり、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚで駆動する。代表的なインク吐出量は２ピコリットルから５ピコリットルの間である。 Each piezoelectric unit is electrically connected to a piezoelectric element drive circuit (not shown), and is configured to operate (vibrate or deform) based on a signal from the piezoelectric element drive circuit. That is, each piezoelectric part 54 functions as a vibration source (head actuator). The elastic layer 55 vibrates due to the vibration (deflection) of the piezoelectric portion 54 and functions to instantaneously increase the internal pressure of the cavity 521. The maximum applied voltage to the piezoelectric body is 20V to 40V and is driven at 20 kHz to 50 kHz. A typical ink discharge amount is between 2 picoliters and 5 picoliters.
なお、上述では、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本実施形態は、圧電体積層体を圧電アクチュエータとして用いた液体噴射ヘッドを対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。 In the above description, an ink jet recording head that discharges ink has been described as an example. However, the present embodiment is directed to a liquid ejecting head that uses a piezoelectric laminate as a piezoelectric actuator. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (surface emitting display). Examples thereof include an electrode material ejecting head used in manufacturing, a bioorganic matter ejecting head used in biochip manufacturing, and the like.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
１ 基体、２ 配向制御層、３ 圧電体層、３ａ テンプレート層、３ｂ 圧電体層、４ 電極（上部電極）、５ 下部電極、１００，２００ 圧電体積層体、３００ 表面弾性波素子、７００，８００ 薄膜圧電共振子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base | substrate, 2 Orientation control layer, 3 Piezoelectric layer, 3a template layer, 3b Piezoelectric layer, 4 Electrode (upper electrode), 5 Lower electrode, 100,200 Piezoelectric laminated body, 300 Surface acoustic wave element, 700,800 Thin film piezoelectric resonator
Claims (14)
前記基体の上方に形成されたテンプレート層と、
前記テンプレート層の上方に形成されたニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層と、を含む、圧電体積層体。 A substrate;
A template layer formed above the substrate;
And a piezoelectric layer made of potassium sodium niobate formed above the template layer.
前記圧電体層は、組成式（ＫａＮａ１−ａ）ｘＮｂＯ３で表され、該組成式において、０．１＜ａ＜１であり、１≦ｘ≦１．２である、圧電体積層体。 In claim 1,
The piezoelectric layer is represented by a composition formula (K a Na 1-a ) × NbO 3 , where 0.1 <a <1 and 1 ≦ x ≦ 1.2. body.
前記圧電体層は、前記組成式において、１＜ｘ≦１．１である、圧電体積層体。 In claim 2,
The piezoelectric layer is a piezoelectric layered body in which 1 <x ≦ 1.1 in the composition formula.
前記テンプレート層は、前記圧電体層と同じ組成を有するニオブ酸カリウムナトリウムからなる、圧電体積層体。 In any of claims 1 to 3,
The template layer is a piezoelectric laminate including the potassium sodium niobate having the same composition as the piezoelectric layer.
前記テンプレート層の下に、ランタン酸ニッケルからなる配向制御層を有する、圧電体積層体。 In any of claims 1 to 4,
A piezoelectric laminate having an orientation control layer made of nickel lanthanate under the template layer.
前記ランタン酸ニッケルは多結晶である、圧電体積層体。 In claim 5,
The piezoelectric layered product, wherein the nickel lanthanate is polycrystalline.
前記圧電体層の上方に形成された電極を有する、圧電体積層体。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
A piezoelectric laminate having an electrode formed above the piezoelectric layer.
前記基体と前記圧電体層との間に形成された第１電極と、
前記第１圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する、圧電体積層体。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
A first electrode formed between the substrate and the piezoelectric layer;
And a second electrode formed above the first piezoelectric layer.
前記テンプレート層の上方にニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層を化学溶液堆積法によって形成する工程と、を含む、圧電体積層体の製造方法。 Forming a template layer above the substrate by chemical solution deposition;
Forming a piezoelectric layer made of potassium sodium niobate above the template layer by a chemical solution deposition method.
前記テンプレート層を形成する前に、前記基体の上方にランタン酸ニッケルからなる配向制御層を形成する工程を有する、圧電体積層体の製造方法。 In claim 12 or 13,
A method for producing a piezoelectric laminate, comprising a step of forming an orientation control layer made of nickel lanthanum above the substrate before forming the template layer.
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