JP2009010926A - 圧電体薄膜、圧電体およびそれらの製造方法、ならびに当該圧電体薄膜を用いた圧電体共振子、アクチュエータ素子および物理センサー - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電応答性を向上した、窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電体薄膜は、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えており、窒化アルミニウム薄膜におけるスカンジウムの含有率は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜５０原子％である。これによって、本発明に係る圧電体薄膜は、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る圧電体薄膜は、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えており、窒化アルミニウム薄膜におけるスカンジウムの含有率は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜５０原子％である。これによって、本発明に係る圧電体薄膜は、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電体および圧電体薄膜に関するものであり、特には、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した圧電体、および窒化アルミニウム薄膜にスカンジウムを添加した圧電体薄膜に関するものである。
圧電現象を利用するデバイスは、幅広い分野において用いられており、小型化および省電力化が強く求められている携帯電話機などの携帯用機器において、その使用が拡大している。その一例として、ＩＦ（Intermediate Frequency）およびＲＦ（Radio Frequency）用フィルタを挙げることができる。ＩＦおよびＲＦ用フィルタの具体例としては、弾性表面波共振子（Surface Acoustic Wave Resonator；ＳＡＷＲ）を用いたフィルタであるＳＡＷフィルタなどがある。
ＳＡＷフィルタは、固体表面を伝わる音響波を利用する共振子を用いたフィルタであり、設計および生産技術の向上により、ユーザーの厳しい要求に対応している。しかし、ＳＡＷフィルタは、利用周波数の高周波数化とともに、特性向上の限界に近づいている。
そこで、ＳＡＷフィルタに代わる新たなフィルタとして、ＲＦ−ＭＥＭＳ（Radio Frequency−Micro Electro Mechanical System）デバイスの一つである、薄膜バルク音響波共振子（Film Bulk Acoustic Resonator；ＦＢＡＲ）を用いた、ＦＢＡＲフィルタの開発が進められている。
ＲＦ−ＭＥＭＳは、近年注目を集めている技術であり、機械的な微小構造を主に半導体基板上に作り付け、極小のアクチュエータおよびセンサー、共振器などのデバイスを作製する技術であるＭＥＭＳをＲＦフロントエンドに適用したものである。
ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるＦＢＡＲフィルタは、圧電応答性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子によるフィルタである。すなわち、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜が厚み縦振動を起こし、その振動が薄膜の厚さ方向において共振を起こす現象を用いた共振子によるフィルタであり、ギガヘルツ帯における共振が可能である。このような特性を有するＦＢＡＲフィルタは、低損失であり、かつ広帯域における動作を可能としつつ、携帯用機器のさらなる小型化および省電力化を実現している。
また、ＦＢＡＲフィルタ以外のＲＦ−ＭＥＭＳデバイスであるＲＦ−ＭＥＭＳキャパシタおよびＲＦ−ＭＥＭＳスイッチなどにおいても、圧電現象を利用することによって、高周波数帯における低損失、高アイソレーションおよび低ひずみを実現している。
このようなＲＦ−ＭＥＭＳデバイスなどに用いられる圧電体薄膜の圧電体材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）およびチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）などを挙げることができる。これらの中でも、特に、窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜は、弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性が良好であるため、高周波帯域におけるフィルタの圧電薄膜共振子の圧電材料として非常に好適であることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
なお、特許文献１には、窒化アルミニウム薄膜にアルカリ土類金属および／または希土類元素などの第３成分を添加することによって、共振特性が向上することが開示されている。
特開２００２−３４４２７９号公報（平成１４年１１月２９日公開）
V. Ranjan et al., PHYSICAL REVIEW LETTERS, 90, 25, 257602 (2003)
V. Ranjan et al., PHYSICAL REVIEW B, 72, 085315 (2005)
しかし、窒化アルミニウム薄膜は、他の圧電材料に比べて、その圧電定数が低い。具体的には、窒化アルミニウム薄膜の圧電定数ｄ３３が５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるのに対して、酸化亜鉛薄膜の圧電定数ｄ３３は９．９〜１２．４ｐＣ／Ｎ程度であり、ニオブ酸リチウム薄膜の圧電定数ｄ３３は６〜１２ｐＣ／Ｎ程度であり、そしてチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の圧電定数ｄ３３は９７〜１００ｐＣ／Ｎ程度である。すなわち、窒化アルミニウム薄膜は、他の圧電材料の１／２〜１／２０程度の圧電定数しか有していない。
したがって、例えば、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスなどのデバイスに窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を用いる場合には、酸化亜鉛など他の圧電材料よりも高い動作電圧が必要となる。すなわち、窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜を備えたデバイス、例えばＲＦ−ＭＥＭＳデバイスでは、省電力化が困難となる。
また、圧電定数が低いことによって、例えば、窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜をアクチュエータに用いた場合では、酸化亜鉛などの圧電定数が高い圧電材料を備えた圧電体薄膜を用いたアクチュエータよりもその可動領域が狭くなる問題を生じ、上記圧電体薄膜をフィルタに用いた場合では、損失が大きくなる問題を生じる。すなわち、窒化アルミニウムの圧電定数が低いことが、窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜を備えたデバイスにおける小型化、および性能の向上を妨げる一因となっている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、圧電応答性を向上した、窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜を提供することである。
圧電材料の圧電応答性を向上させる方法として、非特許文献１では、準安定相である六方晶系（hexagonal）の窒化スカンジウム（ＳｃＮ）を歪ませることにより、その圧電応答性を向上することができることが計算科学に基づいて算出した結果から示唆されている。また、非特許文献２では、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化インジウム（ＩｎＮ）にスカンジウム（Ｓｃ）を添加することにより、その圧電応答性を向上することができることが、計算科学に基づいて算出した結果から示唆されている。
本発明者らは、窒化アルミニウムにスカンジウムを適当量添加することによって、窒化アルミニウムの結晶構造を変化でき、その圧電応答性を向上することができると考え、スカンジウムの添加量を鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
なお、非特許文献１および２は、実際に窒化スカンジウムの結晶格子を歪ませたり、窒化ガリウムおよび窒化インジウムにスカンジウムを添加したりしたものではなく、仮想空間におけるシミュレーションによる結果である。
また、窒化ガリウムおよび窒化インジウムは、発光ダイオードなどの発光デバイスにおいて非常に注目を集めている素材であり、発光デバイスの小型化および省電力化を実現するために研究が盛んに行われている。一方、バンドギャップが広い窒化アルミニウムは、可視光において発光しないため、窒化ガリムを発光デバイスとして用いるためのバッファ層として用いられており、窒化アルミニウムの圧電応答性を向上させる研究は、ほとんど行われていない。すなわち、非特許文献１および２において、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加することによる圧電応答性の向上については、何も記載されていない。
本発明は、係る新規な知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
本発明に係る圧電体薄膜は、上記課題を解決するために、希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜を備える圧電体薄膜であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であることを特徴としている。
窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる。
これによって、本発明に係る圧電体薄膜は、従来の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜ではなし得なかった効果を奏する。具体的には、上記構成の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜をデバイス、例えばＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、低電圧での作動を実現できる。また、上記デバイスがアクチュエータの場合には、同じ電圧であれば、その可動領域を拡大でき、同じ範囲の可動領域であればその動作電圧を低減できる。さらに、上記デバイスがフィルタの場合には、挿入損失を低減できる。したがって、上記圧電体薄膜を備えるデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能を向上することができる効果を奏する。また、本発明に係る圧電体薄膜をジャイロセンサー、圧力センサー、および加速度センサーなどの物理センサーに応用した場合には、その検出感度を向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜は、さらに、希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。
上記の構成によれば、圧電体薄膜は、スカンジウムを０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内で含有する窒化アルミニウム薄膜からなる。特に、基板上にスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を直接形成する場合に、窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜は、さらに、上記窒化アルミニウム薄膜は基板上に設けられており、上記窒化アルミニウム薄膜と上記基板との間には、少なくとも１層の中間層が設けられていることが好ましい。
基板と窒化アルミニウム薄膜との間に中間層を設けることによって、中間層を設けない場合に生じる圧電応答性の低下を抑制することができる。すなわち、スカンジウム濃度が３５原子％よりも大きく４０原子％よりも小さい場合に生じる圧電応答性の低下を抑制することができる。
これによって、組成を厳密に管理する必要がなくなるため、圧電応答性を向上した窒化アルミニウム薄膜を容易に得ることができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜は、さらに、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、１５〜４５原子％の範囲内であることが好ましい。
上記の構成によれば、基板と窒化アルミニウム薄膜との間に中間層を設けた場合であっても。窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜では、さらに、上記スカンジウムの含有率は、上記スカンジウムの原子数と上記アルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、１０〜３５原子％の範囲内であることが好ましい。
窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、表面粗さを低減できる。すなわち、圧電体薄膜の膜厚の均一性を向上することができる。
一般的に、フィルタなどの共振周波数は、膜厚の厚さによって決定されている。したがって、本発明に係る圧電体薄膜を、例えば、ＳＡＷデバイスに用いることによって、膜厚の精度を向上し、伝搬損失を抑制できる。これによって、挿入損失がより少なく、かつノイズを低減したＳＡＷフィルタを実現できる効果を奏する。また、上記圧電体薄膜における表面粗さを低減することによって、多結晶における粒界を消滅させ、圧電体薄膜を高密度化できる。これによって、本発明に係る圧電体薄膜を、例えばＦＢＡＲフィルタに用いる場合には、窒化アルミニウム薄膜を電極によって挟む際の短絡を防止できる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜では、さらに、上記スカンジウムの含有率は、上記スカンジウムの原子数と上記アルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。
窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する特性を失うことなく、圧電応答性をより一層向上することができる。
これによって、本発明に係る圧電体薄膜は、従来の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜ではなし得なかったより一層の効果を奏する。具体的には、上記構成の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜をデバイス、例えばＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、より一層の低電圧での作動を実現できる。また、上記デバイスがアクチュエータの場合には、その可動領域をより一層拡大し、フィルタの場合には、挿入損失をより一層低減できる。したがって、上記圧電体薄膜を備えるデバイスにおけるより一層の小型化および省電力化を実現するとともに、その性能をより一層向上することができる効果を奏する。また、本発明に係る圧電体薄膜をジャイロセンサーおよび圧力センサー、加速度センサーなどの物理センサーに応用した場合は、検出感度をより一層向上することができる効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜では、さらに、上記中間層は、窒化チタンまたはスカンジウムの含有率の異なる窒化アルミニウム薄膜であることが好ましい。
本発明に係る圧電体は、上記課題を解決するために、希土類元素を含有する窒化アルミニウムを備える圧電体であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であることを特徴としている。
上記の構成によれば、スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する。
本発明に係る圧電体は、さらに、希土類元素を含有する窒化アルミニウムからなる圧電体であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。
上記の構成によれば、スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体と同様の作用効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に、希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜を備える圧電体薄膜の製造方法であって、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴としている。
少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を０．５〜４５原子％とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、０．５〜４５原子％である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、さらに、上記圧電体薄膜が、上記窒化アルミニウム薄膜からなるものであって、上記基板にアルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。
スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を０．５〜３５原子％または４０〜４５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜４５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法は、さらに、上記スパッタリング工程の前に、上記基板上に中間層を形成する中間層形成工程をさらに含み、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。
スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、中間層上に形成される窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を１５〜４５原子％の範囲内とすることができる。これによって、中間層上に形成された、スカンジウムを１５〜４５原子％の範囲内で含む窒化アルミニウム薄膜と同様の作用効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程における上記電力密度は、２〜６．５Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。
スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を１０〜３５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、１０〜３５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程における上記電力密度は９．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。
スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜中のスカンジウムの含有率を４０〜４５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が４０〜４５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する。
本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、さらに、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が、２０〜６００℃の範囲内であることが好ましい。
アルミニウムおよびスカンジウムを付着させる基板の温度を上記範囲とすることによって、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性をより一層向上することができる効果を奏する。
また、上記圧電体薄膜を備えていることを特徴とする圧電薄膜共振子、およびそれを備えたフィルタ、ならびに上記圧電体薄膜を備えていることを特徴とするアクチュエータ素子、およびジャイロセンサー、圧力センサーおよび加速度センサーなどの物理センサーも本発明の範疇に含まれる。
本発明に係る圧電体薄膜は、以上のように、０．５〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えることによって、従来の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜ではなし得なかった効果を奏する。
具体的には、本発明に係る圧電体薄膜をデバイス、例えばＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備えることによって、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能の向上を計ることができる。また、本発明に係る圧電体薄膜をジャイロセンサー、圧力センサーおよび加速度センサーなどの物理センサーに応用した場合には、その検出感度を向上することができる効果を奏する。
〔実施形態１〕
本発明に係る圧電体薄膜の一実施形態について、実施形態１として、図１および２を参照して以下に説明する。
本発明に係る圧電体薄膜の一実施形態について、実施形態１として、図１および２を参照して以下に説明する。
なお、本発明に係る圧電体薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いる場合、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、圧電体薄膜は、ＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。ここで、本明細書等における「圧電体」とは、力学的な力が印加されることにより電位差を生じる性質、すなわち圧電性（以下、圧電応答性とも称する）を有する物質を意味する。また、「圧電体薄膜」とは、上記性質を有する薄膜を意味する。
また、本明細書等における「原子％」とは、原子百分率を指しており、具体的には、スカンジウム原子数とアルミニウム原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウム原子の数またはアルミニウム原子の数を表す。すなわち、スカンジウムを含有した窒化アルミニウムにおけるスカンジウム原子およびアルミニウム原子の濃度と言い換えることもできる。また、本実施形態においては、スカンジウムの原子％を、窒化アルミニウムに対するスカンジウムの含有率として以下に説明する。
本実施の形態に係るスカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）は、一般式を用いて、ＳｃｘＡｌ１−ｘＮ（式中、ｘはスカンジウムの含有率（濃度）を示し、０．００５〜０．５の範囲である）と表すこともできる。例えば、スカンジウムの含有率が１０原子％である窒化アルミニウム薄膜の場合には、Ｓｃ０．１Ａｌ０．９Ｎと表す。
（圧電応答性を向上するスカンジウムの含有率）
図１に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を変化させることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性（圧電性）を向上することができる。図１は、スカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。図１に示すように、スカンジウムの含有率が０％である場合に比べて、スカンジウムをわずかでも含有する場合は圧電応答性が向上している。具体的には、スカンジウムの含有率を０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を向上することができる。スカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は６〜２４．６ｐＣ／Ｎ程度となる。一般的な窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるため、スカンジウムの含有率を上記範囲内とすることによって、圧電応答性を１．４〜４倍程度向上することができる。
図１に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を変化させることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性（圧電性）を向上することができる。図１は、スカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。図１に示すように、スカンジウムの含有率が０％である場合に比べて、スカンジウムをわずかでも含有する場合は圧電応答性が向上している。具体的には、スカンジウムの含有率を０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を向上することができる。スカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は６〜２４．６ｐＣ／Ｎ程度となる。一般的な窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるため、スカンジウムの含有率を上記範囲内とすることによって、圧電応答性を１．４〜４倍程度向上することができる。
これによって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、低電圧での作動を実現できる。また、圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳアクチュエータに備える場合には、その可動領域を拡大し、ＦＢＡＲフィルタに備える場合には、挿入損失を低減できる。また、圧電体薄膜１をジャイロセンサー、圧力センサー、および加速度センサーなどの物理センサーに応用した場合には、その検出感度を向上することができる。
したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を有するデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能を向上することができる。
（圧電応答性をさらに向上させるスカンジウムの含有率）
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、スカンジウムの含有率は、４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。図１に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、スカンジウムの含有率が４５原子％（Ｓｃ０．４５Ａｌ０．５５Ｎ）であるとき、最大値を示し（約２４．６ｐＣ／Ｎ）、スカンジウムを含有しない窒化アルミニウムの圧電応答性の約４倍となる。なお、圧電応答性を最大とするスカンジウムの含有率は、測定条件などの条件により±５原子％程度の誤差を示す。
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、スカンジウムの含有率は、４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。図１に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、スカンジウムの含有率が４５原子％（Ｓｃ０．４５Ａｌ０．５５Ｎ）であるとき、最大値を示し（約２４．６ｐＣ／Ｎ）、スカンジウムを含有しない窒化アルミニウムの圧電応答性の約４倍となる。なお、圧電応答性を最大とするスカンジウムの含有率は、測定条件などの条件により±５原子％程度の誤差を示す。
したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を有するデバイスにおける小型化および省電力化をより一層実現するとともに、その性能をより一層向上することができる。
なお、上述した効果は圧電体薄膜に限定されるものではなく、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有する窒化アルミニウムを備えた圧電体であっても、本実施形態に係る圧電体薄膜と同様の効果を得ることができる。
（圧電体薄膜１の構成）
ここで、本発明に係る圧電体薄膜の一例について、図２を参照してより具体的に説明する。圧電体薄膜１は、図２に示すように、基板２上にスカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）３を備えている。Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有している。図２は、圧電体薄膜１の概略断面図である。
ここで、本発明に係る圧電体薄膜の一例について、図２を参照してより具体的に説明する。圧電体薄膜１は、図２に示すように、基板２上にスカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）３を備えている。Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有している。図２は、圧電体薄膜１の概略断面図である。
（基板２）
基板２は、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を変形することなく保持する。基板２の材質としては、特に限定されるものではなく、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。
基板２は、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を変形することなく保持する。基板２の材質としては、特に限定されるものではなく、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。
（Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３）
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、スカンジウムを含む窒化アルミニウム薄膜であり、圧電応答性を有する。
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、スカンジウムを含む窒化アルミニウム薄膜であり、圧電応答性を有する。
〔実施形態２〕
本発明に係る圧電体薄膜の他の形態について、実施形態２として、図３〜５を参照して以下に説明する。本実施形態において、実施形態１と同一の部材には同一の番号を施している。また、実施形態１と同一用語は、本実施形態においても同一の意味として用いる。
本発明に係る圧電体薄膜の他の形態について、実施形態２として、図３〜５を参照して以下に説明する。本実施形態において、実施形態１と同一の部材には同一の番号を施している。また、実施形態１と同一用語は、本実施形態においても同一の意味として用いる。
（圧電体薄膜１ｂの構成）
図３に示すように、本実施形態に係る圧電体薄膜１ｂは、基板２とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３との間に中間層４が形成されている。すなわち、圧電体薄膜１ｂにおいて、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、基板２に中間層４を介して設けられている。基板２およびＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は実施形態１において説明したので、ここではその詳細な説明を省略する。したがって、本実施形態では、中間層４についてのみ以下に説明する。図３は、圧電体薄膜１ｂの概略断面図である。
図３に示すように、本実施形態に係る圧電体薄膜１ｂは、基板２とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３との間に中間層４が形成されている。すなわち、圧電体薄膜１ｂにおいて、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は、基板２に中間層４を介して設けられている。基板２およびＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３は実施形態１において説明したので、ここではその詳細な説明を省略する。したがって、本実施形態では、中間層４についてのみ以下に説明する。図３は、圧電体薄膜１ｂの概略断面図である。
（中間層４）
中間層４は、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３と相互作用を引き起こすために設けられている。中間層４の材質としては、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３および基板２の双方と相互作用を引き起こしやすい材質であることが好ましい。中間層４の材料としては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
中間層４は、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３と相互作用を引き起こすために設けられている。中間層４の材質としては、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３および基板２の双方と相互作用を引き起こしやすい材質であることが好ましい。中間層４の材料としては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
例えば、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３としてＳｃ０．４５Ａｌ０．５５Ｎを用いた場合には、中間層４として窒化スカンジウム（ＳｃＮ）を用いることにより、中間層を設けない場合と比較して、圧電応答性を約４ｐＣ／Ｎ向上することができる。
（圧電応答性を向上するスカンジウムの含有率）
中間層４を備えている場合の圧電体薄膜１ｂの圧電応答性の変化について、図４を参照して以下に説明する。図４は、中間層４を備えている場合のスカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性との関係を示す図である。
中間層４を備えている場合の圧電体薄膜１ｂの圧電応答性の変化について、図４を参照して以下に説明する。図４は、中間層４を備えている場合のスカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性との関係を示す図である。
図４に示すように、中間層４を設けることにより、スカンジウムの含有率が３５原子％よりも大きく４０原子％よりも小さい場合であっても、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性を向上させることができる。すなわち、実施形態１の圧電体薄膜１において問題となっていた圧電応答性の低下を抑制することができる。これによって、圧電体薄膜を製造する際に、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の組成を厳密に管理する必要がなくなるため、圧電応答性を向上した圧電体薄膜の製造を容易にすることができる。
また、スカンジウムの含有率を１５〜４５原子％の範囲内とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を向上することができる。スカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性は６〜１８ｐＣ／Ｎ程度となる。一般的な窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるため、スカンジウムの含有率を上記範囲内とすることによって、圧電応答性を１．１〜３倍程度向上することができる。
これによって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１ｂを、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、低電圧での作動を実現することができる。また、圧電体薄膜１ｂをＲＦ−ＭＥＭＳアクチュエータに備える場合には、その可動領域を拡大し、ＦＢＡＲフィルタに備える場合には、挿入損失を低減することができる。また、圧電体薄膜１ｂをジャイロセンサー、圧力センサー、および加速度センサーなどの物理センサーに応用した場合には、その検出感度を向上することができる。
したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１ｂを有するデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能を向上することができる。
（中間層４の変形例）
中間層４は、図５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３と組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜としてもよい。中間層４として組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を用いることにより、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性を向上することができる。
中間層４は、図５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３と組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜としてもよい。中間層４として組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を用いることにより、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性を向上することができる。
例えば、図５（ａ）に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３としてＳｃ０．４７Ａｌ０．５３Ｎ層を用いた圧電体薄膜１は約７ｐＣ／Ｎの圧電応答性を示す。これに対して、図５（ｂ）に示すように、Ｓｃ０．４７Ａｌ０．５３Ｎ層と基板２との間に、中間層４としてＳｃ０．４０Ａｌ０．６０Ｎ層を設けることにより、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性は約１０ｐＣ／Ｎに向上する。また、図５（ｃ）に示すように、中間層４としてＳｃ０．４２Ａｌ０．５８Ｎ層を設けることにより、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性を２５ｐＣ／Ｎに大幅に向上させることができる。
また、基板２上にＳｃ含有窒化アルミニウム層３としてＳｃ０．５０Ａｌ０．５０Ｎ層を設けた圧電体薄膜１の圧電応答性は、０ｐＣ／Ｎである。しかし、図５（ｄ）に示すように、基板２とＳｃ含有窒化アルミニウム層３との間に中間層４としてＳｃ０．４２Ａｌ０．５８Ｎ層を設けることにより、圧電応答性を０ｐＣ／Ｎから１４ｐＣ／Ｎに向上することができる。
すなわち、組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を中間層４として用いることにより、圧電体薄膜の圧電応答性を大幅に向上することができる。
また、中間層４として用いる組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、１層に限定されるものではなく、複数層備えられていてもよい。
例えば、図５（ｅ）に示すように、Ｓｃ含有圧電体薄膜３としてＳｃ０．４７Ａｌ０．５３Ｎを用い、中間層４として、基板側から順に、Ｓｃ０．４０Ａｌ０．６０Ｎ層、Ｓｃ０．４２Ａｌ０．５８Ｎ層、およびＳｃ０．４５Ａｌ０．５５Ｎ層の３層を用いた圧電体薄膜１ｂは、約１９ｐＣ／Ｎの圧電応答性を示す。このように、中間層４が複数の層からなる場合であっても、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性を向上することができる。
このように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を中間層４を介して基板２に設けることによって、圧電体薄膜１ｂの圧電応答性の向上だけでなく、スカンジウムの含有率がわずかに変化することにより圧電体薄膜自体の圧電応答性が大きく低下することを抑制することができる。すなわち、中間層４を設けることにより、物性の一定した圧電体薄膜の製造を容易にすることができる。なお、図５（ａ）〜（ｅ）では、基板２としてＳｉ基板を用いているが、もちろんこれに限定されるものではない。
〔実施形態３〕
実施形態１に係る圧電体薄膜１の製造方法の一実施形態について、実施形態３として、図６を参照して以下に説明する。なお、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いるのであれば、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜をＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。また、本実施形態において、実施形態１と同一の用語は同一の意味として用いる。
実施形態１に係る圧電体薄膜１の製造方法の一実施形態について、実施形態３として、図６を参照して以下に説明する。なお、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いるのであれば、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜をＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。また、本実施形態において、実施形態１と同一の用語は同一の意味として用いる。
圧電体薄膜１の製造方法は、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下、または窒素ガス（Ｎ２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下において、基板２（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）にスカンジウムおよびアルミニウムを同時にスパッタ処理するスパッタリング工程を含む。これによって、密着性に優れ、純度の高いＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を形成することができる。また、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングすることによって、窒化スカンジウムおよび窒化アルミニウムが一部に偏在することなく、均一に分布したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３とすることができる。
（圧電応答性を向上する電力密度の範囲）
スパッタリング工程において、アルミニウムのターゲット電力密度を７．９Ｗ/ｃｍ２の範囲内と固定した場合、スカンジウムのターゲット電力密度は、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内となる。
スパッタリング工程において、アルミニウムのターゲット電力密度を７．９Ｗ/ｃｍ２の範囲内と固定した場合、スカンジウムのターゲット電力密度は、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内となる。
なお、本明細書等における「電力密度」とは、スパッタリング電力をターゲット面積で割った値である。また、本発明に係る圧電体薄膜の製造方法では、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングするため、スカンジウムのターゲット電力密度と、アルミニウムのターゲット電力密度との２種類のターゲット電力密度がある。本明細書等において、単に「ターゲット電力密度」と称する場合には、スカンジウムのターゲット電力密度のことを指す。
ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜における圧電応答性を向上することができる。
すなわち、図６に示すように、ターゲット電力密度が０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２の範囲内である場合には、スカンジウムの含有率が０．５〜３５原子％の範囲内である場合に対応し、８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内である場合には、含有率が４０〜５０原子％の範囲内である場合に対応する。図６は、ターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。
図６に示すように、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とすることによって、スカンジウムの含有率は、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内となり、６〜２４．６ｐＣ／Ｎ程度の圧電応答性を得ることができる。したがって、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または９．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とすることによって、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内のＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１と同様の効果を得ることができる。
なお、スパッタリング工程において、ターゲット電力密度が上記範囲内であれば、その他の条件は、特に限定されるものではない。例えば、スパッタリング圧力およびスパッタリング時間は適宜設定することができる。
（圧電応答性を向上する基板温度の範囲）
スパッタリング工程において、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内としたとき、基板温度を変化させることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性をさらに向上することができる。基板温度とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性との関係について図７に示す。
スパッタリング工程において、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内としたとき、基板温度を変化させることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性をさらに向上することができる。基板温度とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性との関係について図７に示す。
図７に示すように、スパッタリング工程において、基板の温度を２０〜６００℃の範囲内、より好ましくは２００〜４５０℃の範囲内、さらに好ましくは４００〜４５０℃の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性を向上することができる。具体的には、基板の温度を２０〜６００℃の範囲内とすることによって、圧電応答性を１５〜２８ｐＣ／Ｎ程度とすることができ、２００〜４５０℃の範囲内とすることによって、圧電応答性を２６〜２８ｐＣ／Ｎ程度とすることができる。なお、基板温度を４００〜４５０℃の範囲内としたときには、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の圧電応答性を最大（約２８ｐＣ／Ｎ）とすることができる。
したがって、スパッタリング工程における基板温度を上記範囲内とすることによって、作製したＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えた圧電体薄膜１を有するデバイスをより一層小型化および省電力化することができるとともに、その性能をより一層向上することができる。
（圧電応答性をさらに向上する電力密度の範囲）
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、ターゲット電力密度は、上記範囲の中でも９．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましく、１０Ｗ/ｃｍ２であることがより好ましい。図６に示すように、ターゲット電力密度を５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とすることによって、圧電応答性はより向上する。特に、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ２であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３におけるスカンジウムの含有率は４５原子％となり、圧電応答性が最大値（２４．６ｐＣ／Ｎ）を示す。すなわち、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ２である場合には、スカンジウムの含有率が４５原子％であるときと同様の効果を得ることができる。
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、ターゲット電力密度は、上記範囲の中でも９．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることが好ましく、１０Ｗ/ｃｍ２であることがより好ましい。図６に示すように、ターゲット電力密度を５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内とすることによって、圧電応答性はより向上する。特に、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ２であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３におけるスカンジウムの含有率は４５原子％となり、圧電応答性が最大値（２４．６ｐＣ／Ｎ）を示す。すなわち、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ２である場合には、スカンジウムの含有率が４５原子％であるときと同様の効果を得ることができる。
なお、圧電応答性を最大とするスカンジウムの含有率は、測定条件などの条件により、±５原子％程度の誤差を示す。
（中間層４を備えた圧電体薄膜１ｂの製造方法）
上記では、実施形態１に係る圧電体薄膜１の製造方法について説明したが、実施形態２に係る圧電体薄膜１ｂであっても同様の製造方法により製造することができる。
上記では、実施形態１に係る圧電体薄膜１の製造方法について説明したが、実施形態２に係る圧電体薄膜１ｂであっても同様の製造方法により製造することができる。
圧電体薄膜１ｂは、基板２に中間層４を形成する中間層形成工程をさらに含む点が異なるのみである。中間層４の形成方法は、中間層４として用いる材質に応じて適宜設定することができる。例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、モレキュラービームエピタキシー（ＭＢＥ）、レーザーアブレーション、メッキなどを挙げることができる。
中間層４を設けた圧電体薄膜１ｂにおける、スカンジウムのターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を、図８に示す。なお、図８は、中間層４として窒化チタン（ＴｉＮ）を用いた場合の図である。
図８に示すように、中間層４を設けることにより、中間層４を設けない場合に圧電応答性の低下していた、スカンジウムの含有率が３５原子％よりも大きく、４０原子％よりも小さい場合、すなわち、ターゲット電力密度が６．５Ｗ/ｃｍ２より大きく、８．０Ｗ/ｃｍ２よりも小さい場合における圧電応答性の低下を抑制することができる。
なお、中間層４を、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３と組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウムとする場合には、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３の形成方法と同様の方法を用いればよい。
〔実施形態４〕
本発明に係る圧電体薄膜を備えている圧電体薄膜共振子の一実施形態について、実施形態４として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えた圧電体薄膜共振子の具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるＦＢＡＲフィルタに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＦＢＡＲフィルタについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜３と同一の用語は、同一の意味として用いる。
本発明に係る圧電体薄膜を備えている圧電体薄膜共振子の一実施形態について、実施形態４として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えた圧電体薄膜共振子の具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるＦＢＡＲフィルタに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＦＢＡＲフィルタについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜３と同一の用語は、同一の意味として用いる。
本実施形態に係るＦＢＡＲフィルタ１０（圧電体薄膜共振子）について、図９を参照して以下に説明する。
（ＦＢＡＲフィルタ１０の構成）
ＦＢＡＲフィルタ１０は、図９に示すように、基板１１、および基板１１上に形成された圧電積層構造体１２を備えている。図９は、ＦＢＡＲフィルタ１０の概略断面図である。
ＦＢＡＲフィルタ１０は、図９に示すように、基板１１、および基板１１上に形成された圧電積層構造体１２を備えている。図９は、ＦＢＡＲフィルタ１０の概略断面図である。
（基板１１）
基板１１は、圧電積層構造体１２を保持するための基板であり、圧電積層構造体１２を自由に振動させるために、圧電積層構造体１２が形成されている下部にキャビティ部１６が設けられている。
基板１１は、圧電積層構造体１２を保持するための基板であり、圧電積層構造体１２を自由に振動させるために、圧電積層構造体１２が形成されている下部にキャビティ部１６が設けられている。
基板１１の材質としては、圧電積層構造体１２を変形することなく保持できる材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。
また、キャビティ部１６の形成方法としては、異方性エッチング法、またはディープ反応性異方性エッチング法などを用いることができる。
（圧電積層構造体１２の構成）
圧電積層構造体１２は、下部電極１３および上部電極１５と、下部電極１３と上部電極１５とに挟まれた圧電体薄膜１４とからなる。各部材について以下に説明する。
圧電積層構造体１２は、下部電極１３および上部電極１５と、下部電極１３と上部電極１５とに挟まれた圧電体薄膜１４とからなる。各部材について以下に説明する。
（下部電極１３および上部電極１５）
下部電極１３および上部電極１５は、圧電体薄膜１４に交流電界を加えるための電極である。下部電極１３および上部電極１５の材質としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。これらの中でも、散弾性損失が少ないモリブデンを用いることが好ましい。
下部電極１３および上部電極１５は、圧電体薄膜１４に交流電界を加えるための電極である。下部電極１３および上部電極１５の材質としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。これらの中でも、散弾性損失が少ないモリブデンを用いることが好ましい。
また、下部電極１３および上部電極１５の厚みは、５０〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。下部電極１３および上部電極１５の厚みを上記範囲内とすることによって、損失を小さくできることができる。下部電極１３および上部電極１５の形成方法としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
（圧電体薄膜１）
圧電体薄膜１については、実施形態１および３において詳述したため、本実施形態ではその説明を省略する。なお、圧電体薄膜１の厚みは、０．１〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。圧電体薄膜１の厚みを上記範囲内とすることによって、密着性に優れた薄膜とすることができる。
圧電体薄膜１については、実施形態１および３において詳述したため、本実施形態ではその説明を省略する。なお、圧電体薄膜１の厚みは、０．１〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。圧電体薄膜１の厚みを上記範囲内とすることによって、密着性に優れた薄膜とすることができる。
（付記事項）
なお、ＦＢＡＲフィルタ１０は、基板１１と下部電極１３との間に下地膜を備えていてもよい。下地膜は、絶縁膜であり、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコンおよび酸化シリコンと窒化シリコンとの積層膜を主成分とする誘電体膜などを用いることができる。ここで、本明細書等における「主成分」とは、誘電体膜に含まれる全成分のうち、５０質量％を越える成分であることを意味している。
なお、ＦＢＡＲフィルタ１０は、基板１１と下部電極１３との間に下地膜を備えていてもよい。下地膜は、絶縁膜であり、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコンおよび酸化シリコンと窒化シリコンとの積層膜を主成分とする誘電体膜などを用いることができる。ここで、本明細書等における「主成分」とは、誘電体膜に含まれる全成分のうち、５０質量％を越える成分であることを意味している。
誘電体膜は、単層からなってもよく、また密着性を高めるための層などを追加した多層からなるものでもよい。下地膜の厚みは、０．０５〜２．０μｍであることが好ましい。
なお、下地膜は、従来公知の方法によって形成できる。例えば、シリコンからなる基板１１表面における熱酸化法、および化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成できる。
〔実施形態５〕
本発明に係る圧電体薄膜を備えているアクチュエータ素子の一実施形態について、実施形態５として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えたアクチュエータ素子の具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるスイッチに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜４と同一の用語は、同一の意味として用いる。
本発明に係る圧電体薄膜を備えているアクチュエータ素子の一実施形態について、実施形態５として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えたアクチュエータ素子の具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの一つであるスイッチに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜４と同一の用語は、同一の意味として用いる。
（スイッチ２０）
本実施形態に係るスイッチ２０（アクチュエータ素子）について、図１０（ａ）および（ｂ）を参照して以下に説明する。図１０（ａ）および（ｂ）は、スイッチ２０の概略断面図を示す図であり、（ａ）は、電圧を印加していない状態を示す図であり、（ｂ）は電圧を印加した状態を示す図である。
本実施形態に係るスイッチ２０（アクチュエータ素子）について、図１０（ａ）および（ｂ）を参照して以下に説明する。図１０（ａ）および（ｂ）は、スイッチ２０の概略断面図を示す図であり、（ａ）は、電圧を印加していない状態を示す図であり、（ｂ）は電圧を印加した状態を示す図である。
スイッチ２０は、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、主として、基板２１、下部電極２２および可動部２３を備えている。
（基板２１）
基板２１は、固定電極２２および可動部２４を保持するための基板であり、一方の端部に下部電極２２が設けられており、下部電極２２が設けられている側の端部と対向する側の端部において、可動部２４を保持している。
基板２１は、固定電極２２および可動部２４を保持するための基板であり、一方の端部に下部電極２２が設けられており、下部電極２２が設けられている側の端部と対向する側の端部において、可動部２４を保持している。
基板２１の材質としては、下部電極２２、誘電体膜２３および可動部２４を変形することなく保持できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。
（下部電極２２）
下部電極２２は、スイッチ２０が通電している、すなわち「ＯＮ」状態であるとき、下記に記載する上部電極２８と接触する電極である。
下部電極２２は、スイッチ２０が通電している、すなわち「ＯＮ」状態であるとき、下記に記載する上部電極２８と接触する電極である。
下部電極２２の材質としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。
下部電極２２の形成方法としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
（可動部２３の構成）
可動部２３は、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、圧電体薄膜１、第１可動用電極２５、第２可動用電極２６、第３可動用電極２７および上部電極２８を備えている。各部材について以下に説明する。なお、圧電体薄膜１については、実施形態１および２において詳述しているため、本実施形態ではその説明を省略する。
可動部２３は、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、圧電体薄膜１、第１可動用電極２５、第２可動用電極２６、第３可動用電極２７および上部電極２８を備えている。各部材について以下に説明する。なお、圧電体薄膜１については、実施形態１および２において詳述しているため、本実施形態ではその説明を省略する。
（第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７）
第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７は、圧電体薄膜１を駆動させる電圧を印加する際に用いる電極であり、第１可動用電極２５と第２可動用電極２６との間、および第２可動用電極２６と第３可動用電極２７との間に圧電体薄膜１を備えている。
第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７は、圧電体薄膜１を駆動させる電圧を印加する際に用いる電極であり、第１可動用電極２５と第２可動用電極２６との間、および第２可動用電極２６と第３可動用電極２７との間に圧電体薄膜１を備えている。
第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７の材質としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。
第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７の形成方法としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
（上部電極２８）
上部電極２８は、可動部２３の基板２１に保持されている側の端部に対向する側の端部に設けられており、可動部２３が可動した際に下部電極２２と接する電極である。
上部電極２８は、可動部２３の基板２１に保持されている側の端部に対向する側の端部に設けられており、可動部２３が可動した際に下部電極２２と接する電極である。
上部電極２８の材質としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。
上部電極２８の形成方法としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
（スイッチ２０の動作）
スイッチ２０は、図１０（ｂ）に示すように、第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７に電圧を印加することによって、スイッチ２０が通電していない状態から通電している状態へと変化する。すなわち、スイッチ２０の状態が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」へと変化する。
スイッチ２０は、図１０（ｂ）に示すように、第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７に電圧を印加することによって、スイッチ２０が通電していない状態から通電している状態へと変化する。すなわち、スイッチ２０の状態が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」へと変化する。
より具体的には、第１可動用電極２５、第２可動用電極２６および第３可動用電極２７に電圧を印加することによって、圧電体薄膜１が、例えば図１０（ｂ）に示すように、伸び縮みし、可動部２３が基板２１側へと駆動する。これによって、下部電極２２と上部電極２８とが接触する。これによって、スイッチ２０が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」へと変化する。
〔実施形態６〕
本発明に係る圧電体薄膜を備えている物理センサーの一実施形態について、実施形態６として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えた物理センサーの具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、圧力センサーに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜５と同一の用語は、同一の意味として用いる。
本発明に係る圧電体薄膜を備えている物理センサーの一実施形態について、実施形態６として以下に説明する。本発明に係る圧電体薄膜を備えた物理センサーの具体的な用途は、特に限定されるものではない。本実施形態では、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜３を備えている圧電体薄膜１を、圧力センサーに利用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では圧電体薄膜１を用いたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスについて説明しているが、もちろん圧電体薄膜１ｂを用いることもできる。また、本実施形態において、実施形態１〜５と同一の用語は、同一の意味として用いる。
（圧力センサー３０）
本実施形態に係る圧力センサー３０（物理センサー）について、図１１（ａ）および（ｂ）を参照して以下に説明する。図１１（ａ）および（ｂ）は、圧力センサー３０の概略図を示す図であり、（ａ）は、上記電極と下部電極との間に圧電体薄膜を備えている場合を示す図であり、（ｂ）は圧電体薄膜と下部電極との間に支持部を備えている場合を示す図である。
本実施形態に係る圧力センサー３０（物理センサー）について、図１１（ａ）および（ｂ）を参照して以下に説明する。図１１（ａ）および（ｂ）は、圧力センサー３０の概略図を示す図であり、（ａ）は、上記電極と下部電極との間に圧電体薄膜を備えている場合を示す図であり、（ｂ）は圧電体薄膜と下部電極との間に支持部を備えている場合を示す図である。
本実施形態に係る圧力センサー３０は、図１１（ａ）に示すように、主として、上部電極３１、圧電体薄膜１、および下部電極３３を備えている。各部材について以下に説明する。なお、圧電体薄膜１については、実施形態１および３において説明したため、本実施形態ではその説明を省略する。
（上部電極３１および下部電極３３）
上部電極３１および下部電極３３は、圧力センサー３０における電極として作用するものである。図１１（ａ）に示すように、上部電極３１および下部電極３３は、圧電体薄膜１を挟むように形成されている。
上部電極３１および下部電極３３は、圧力センサー３０における電極として作用するものである。図１１（ａ）に示すように、上部電極３１および下部電極３３は、圧電体薄膜１を挟むように形成されている。
なお、上部電極３１および下部電極３３のいずれを陰極とするかまたは陽極とするかは、特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。
上部電極３１および下部電極３３の材質としては、圧電体薄膜１において発生した電荷を失うことなく取り出すことができるものであれば特に限定されるものではない。例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金とチタンとの積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、および金とクロムとの積層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。
また、上部電極３１および下部電極３３の形成方法としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
（圧力センサー３０の動作）
図１１（ａ）に示すように、圧力センサー３０に力Ｆを加えると、圧電体薄膜１は、印加された圧力に応じた電荷を発生する。発生された電荷は、上部電極３１および下部電極３３によって取り出され、コンデンサー（キャパシタ）に送られる。すなわち、圧力センサー３０は、コンデンサーにおいて取り出された電荷分の電位を測定できるため、測定した電位から印加された圧力Ｆの大きさを測定することができる。
図１１（ａ）に示すように、圧力センサー３０に力Ｆを加えると、圧電体薄膜１は、印加された圧力に応じた電荷を発生する。発生された電荷は、上部電極３１および下部電極３３によって取り出され、コンデンサー（キャパシタ）に送られる。すなわち、圧力センサー３０は、コンデンサーにおいて取り出された電荷分の電位を測定できるため、測定した電位から印加された圧力Ｆの大きさを測定することができる。
（圧力センサー３０の変形例）
圧力センサー３０は、図１１（ｂ）に示すように、圧電体薄膜１と下部電極３３との間に支持部３４を備えていてもよい。
圧力センサー３０は、図１１（ｂ）に示すように、圧電体薄膜１と下部電極３３との間に支持部３４を備えていてもよい。
支持部３４はモノモルフとして用いられるものであり、その材質は金属、高分子、またはセラミックスなどである。支持部３４を備えていることによって、圧電センサー３０は、増感効果を発揮できる。
なお、本実施形態においては、物理センサーの一例として圧力センサーを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ジャイロセンサーおよび加速センサーであってもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
以下、実施例を示し、本発明の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な様態が可能である。
〔実施例１〕
（スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜の作製方法）
シリコン基板に対して、窒素雰囲気下でアルミニウムおよびスカンジウムをスパッタリングし、シリコン基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。スパッタリングの条件は、アルミニウムターゲット電力密度７．９Ｗ／ｃｍ２、スカンジウムターゲット電力密度０〜１０Ｗ／ｃｍ２、基板温度５８０℃、窒素ガス濃度４０％、およびスパッタリング時間４時間である。なお、ターゲット電力密度０Ｗとは、窒化アルミニウム薄膜にスカンジウムを添加していないことを示している。
（スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜の作製方法）
シリコン基板に対して、窒素雰囲気下でアルミニウムおよびスカンジウムをスパッタリングし、シリコン基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。スパッタリングの条件は、アルミニウムターゲット電力密度７．９Ｗ／ｃｍ２、スカンジウムターゲット電力密度０〜１０Ｗ／ｃｍ２、基板温度５８０℃、窒素ガス濃度４０％、およびスパッタリング時間４時間である。なお、ターゲット電力密度０Ｗとは、窒化アルミニウム薄膜にスカンジウムを添加していないことを示している。
（圧電応答性測定方法）
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、ピエゾメーターを用いて、加重０．２５Ｎ，周波数１１０Ｈｚによって測定した。
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、ピエゾメーターを用いて、加重０．２５Ｎ，周波数１１０Ｈｚによって測定した。
〔比較例１〕
スカンジウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜２Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
スカンジウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜２Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
〔比較例２〕
スカンジウムの代わりにホウ素（Ｂ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜７．６Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
スカンジウムの代わりにホウ素（Ｂ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜７．６Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
〔比較例３〕
スカンジウムの代わりにケイ素（Ｓｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．５Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
スカンジウムの代わりにケイ素（Ｓｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．５Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
〔比較例４〕
スカンジウムの代わりにチタン（Ｔｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．８Ｗとした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
スカンジウムの代わりにチタン（Ｔｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．８Ｗとした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
〔比較例５〕
スカンジウムの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜０．８Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
スカンジウムの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜０．８Ｗ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。
〔実施例１および比較例１〜５の測定結果〕
実施例１における測定結果は上記において説明したため、ここではその説明を省略する。比較例１〜５における測定結果を図１２（ａ）〜（ｅ）に示す。図１２（ａ）〜（ｅ）は、ターゲット電力密度と圧電応答性との関係を示す図であり、（ａ）は、マグネシウムを添加した場合であり、（ｂ）はホウ素を添加した場合であり、（ｃ）はケイ素を添加した場合であり、（ｄ）はチタンを添加した場合であり、（ｅ）はクロムを添加した場合である。
実施例１における測定結果は上記において説明したため、ここではその説明を省略する。比較例１〜５における測定結果を図１２（ａ）〜（ｅ）に示す。図１２（ａ）〜（ｅ）は、ターゲット電力密度と圧電応答性との関係を示す図であり、（ａ）は、マグネシウムを添加した場合であり、（ｂ）はホウ素を添加した場合であり、（ｃ）はケイ素を添加した場合であり、（ｄ）はチタンを添加した場合であり、（ｅ）はクロムを添加した場合である。
図１２（ａ）〜（ｅ）に示すように、スカンジウム以外の元素を添加しても、窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、減少するのみであり、向上しないことが示された。なお、図６に示すように、電力密度が６．５〜８．５Ｗ／ｃｍ２の範囲内、すなわちスカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲内の場合には、スカンジウムを含有していない窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性よりも圧電応答性が低下してしまうことが示された。
〔実施例２〕
スカンジウムの含有量（以下、Ｓｃ含有量とも称する）を２５原子％としたＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さを測定した。
スカンジウムの含有量（以下、Ｓｃ含有量とも称する）を２５原子％としたＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さを測定した。
表面粗さの測定方法は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。なお、本明細書等における「表面粗さ」とは、算術平均粗さ（Ｒａ）を意味している。
〔比較例６〕
Ｓｃを含有しない窒化アルミニウム薄膜（Ｓｃ含有量が０原子％である窒化アルミニウム薄膜）を用いた以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
Ｓｃを含有しない窒化アルミニウム薄膜（Ｓｃ含有量が０原子％である窒化アルミニウム薄膜）を用いた以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
〔比較例７〕
Ｓｃ含有量を３８原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
Ｓｃ含有量を３８原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
〔比較例８〕
Ｓｃ含有量を４２原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
Ｓｃ含有量を４２原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。
〔表面粗さの測定結果〕
実施例２および比較例６〜８における表面粗さの結果を図１３（ａ）〜（ｄ）に示す。図１３（ａ）〜（ｄ）は、実施例２および比較例６〜８における表面粗さを原子間力顕微鏡を用いて観察した図であり、（ａ）はＳｃ含有量を２５原子％とした場合であり、（ｂ）はＳｃ含有量を０原子％とした場合であり、（ｃ）はＳｃ含有量を３８原子％とした場合であり、（ｄ）Ｓｃ含有量を４２原子％とした場合である。
実施例２および比較例６〜８における表面粗さの結果を図１３（ａ）〜（ｄ）に示す。図１３（ａ）〜（ｄ）は、実施例２および比較例６〜８における表面粗さを原子間力顕微鏡を用いて観察した図であり、（ａ）はＳｃ含有量を２５原子％とした場合であり、（ｂ）はＳｃ含有量を０原子％とした場合であり、（ｃ）はＳｃ含有量を３８原子％とした場合であり、（ｄ）Ｓｃ含有量を４２原子％とした場合である。
Ｓｃ含有量を２５原子％とした場合、すなわち図１３（ａ）では、表面粗さＲａは０．６ｎｍであった。それに対して、Ｓｃ含有量を０原子％とした場合、すなわち図１３（ｂ）では、表面粗さＲａは０．９ｎｍ程度であった。これによって、Ｓｃの添加量を０．５原子％〜３５原子％とすることによって、表面粗さを減少できることが示された。
Ｓｃ含有量を３８原子％とした場合および４２原子％とした場合、すなわち図１３（ｃ）および（ｄ）に示す場合の表面粗さＲａは、３．５ｎｍおよび３．０ｎｍであり、表面粗さは、Ｓｃ含有量を２５原子％とした場合に比べて約５倍以上増加することが示された。
本発明に係る圧電体薄膜は、例えば、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスなどの圧電現象を利用したデバイスにおいて好適に用いることができる。また、本発明に係る圧電体薄膜を備えたＲＦ−ＭＥＭＳデバイスは、携帯電話などの小型であり、かつ高性能な電子機器類に好適に用いることができる。
１、１ｂ 圧電体薄膜
２ 基板
３ Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜
４ 中間層
１０ ＦＢＡＲフィルタ（圧電体薄膜共振子）
１１ 基板
１２ 圧電積層構造体
１３ 下部電極
１５ 上部電極
１６ キャビティ部
２０ スイッチ（アクチュエータ素子）
２１ 基板
２２ 下部電極
２３ 可動部
２５ 第１可動用電極
２６ 第２可動用電極
２７ 第３可動用電極
２８ 上部電極
３０ 圧力センサー（物理センサー）
３１ 上部電極
３３ 下部電極
３４ 支持部
２ 基板
３ Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜
４ 中間層
１０ ＦＢＡＲフィルタ（圧電体薄膜共振子）
１１ 基板
１２ 圧電積層構造体
１３ 下部電極
１５ 上部電極
１６ キャビティ部
２０ スイッチ（アクチュエータ素子）
２１ 基板
２２ 下部電極
２３ 可動部
２５ 第１可動用電極
２６ 第２可動用電極
２７ 第３可動用電極
２８ 上部電極
３０ 圧力センサー（物理センサー）
３１ 上部電極
３３ 下部電極
３４ 支持部
Claims (19)
- 希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする圧電体薄膜。
- 希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜。
- 上記窒化アルミニウム薄膜は基板上に設けられており、上記窒化アルミニウム薄膜と上記基板との間には、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜。
- 上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、１５〜４５原子％の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の圧電体薄膜。
- 上記スカンジウムの含有率は、上記スカンジウムの原子数と上記アルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、１０〜３５原子％の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の圧電体薄膜。
- 上記スカンジウムの含有率は、上記スカンジウムの原子数と上記アルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、４０〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の圧電体薄膜。
- 上記中間層は、窒化チタンまたはスカンジウムの含有率の異なる窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電体薄膜。
- 希土類元素を含有する窒化アルミニウムを備えている圧電体であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする圧電体。
- 希土類元素を含有する窒化アルミニウムからなる圧電体であって、上記希土類元素はスカンジウムであり、かつ、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする請求項８に記載の圧電体。
- 基板上に、希土類元素を含有する窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜の製造方法であって、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
- 上記圧電体薄膜が、上記窒化アルミニウム薄膜からなるものであって、上記基板にアルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 上記スパッタリング工程の前に、上記基板上に中間層を形成する中間層形成工程をさらに含み、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 上記スパッタリング工程における上記電力密度が、２〜６．５Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 上記スパッタリング工程における上記電力密度が、９．５〜１０Ｗ/ｃｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１１に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 上記スパッタリング工程における上記基板の温度が２０〜６００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の圧電体薄膜の製造方法。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体薄膜を備えていることを特徴とする圧電体薄膜共振子。
- 請求項１６に記載の圧電体薄膜共振子を備えていることを特徴とするフィルタ。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体薄膜を備えていることを特徴とするアクチュエータ素子。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体薄膜を備えていることを特徴とする物理センサー。
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| US12/155,015 US7758979B2 (en) | 2007-05-31 | 2008-05-29 | Piezoelectric thin film, piezoelectric material, and fabrication method of piezoelectric thin film and piezoelectric material, and piezoelectric resonator, actuator element, and physical sensor using piezoelectric thin film |
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