JP2017028062A - Laminate structure and piezoelectric element including the same, manufacturing method, evaluation method of laminate structure - Google Patents

Laminate structure and piezoelectric element including the same, manufacturing method, evaluation method of laminate structure Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminate structure having a diameter of 100 mm or more, including a piezoelectric film where in-plane variation of the piezoelectric characteristics is suppressed, by establishing an evaluation method for determining the variation of defects in the piezoelectric film quantitatively, a manufacturing method thereof, and a piezoelectric element.SOLUTION: A laminate structure 1 includes a substrate 10 having a diameter of 100 mm or more, and a piezoelectric film 30 mainly composed of a perovskite oxide deposited on the substrate 10. On the surface 30s of the piezoelectric film 30 opposite to the substrate 10, the absolute value of the difference of refractive index, measured by ellipsometry having a wavelength of 400 nm or less in the central part 30sc and marginal part 30sp of the surface is 0.1 or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、基板上に圧電膜を備えてなる積層構造体及びそれを備えた圧電素子、積層構造体の製造方法に関する。本発明はまた、基板または積層構造体の表面における面内組成ばらつきを判定する評価方法に関する。   The present invention relates to a multilayer structure including a piezoelectric film on a substrate, a piezoelectric element including the multilayer structure, and a method for manufacturing the multilayer structure. The present invention also relates to an evaluation method for determining in-plane composition variation on the surface of a substrate or a laminated structure.

液体吐出装置等のアクチュエータや各種センサ等の圧電素子において、Si基板を用いたMEMS(メムス、Micro Electro Mechanical Systems)技術等の半導体プロセス技術と組み合わせた微細化が進められている。圧電体として圧電体薄膜(圧電体膜)を用いた半導体プロセス技術では、成膜やフォトリソグラフィー等を用いた高精度な加工、及び大面積ウエハ上にて一括加工ができるため、圧電素子において、装置の小型化、高密度化、低コスト化の実現が期待されている。   2. Description of the Related Art Miniaturization in combination with semiconductor process technology such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology using a Si substrate is being advanced in piezoelectric elements such as actuators and various sensors such as liquid ejection devices. In semiconductor process technology using a piezoelectric thin film (piezoelectric film) as a piezoelectric body, high-precision processing using film formation, photolithography, etc., and batch processing on a large area wafer, Realization of miniaturization, high density and low cost of the apparatus is expected.

高い圧電特性を有する圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のペロブスカイト型酸化物が、実績があり広く用いられている。PZT系ペロブスカイト型酸化物などの圧電材料では、非特許文献1などで記載されているように、酸素欠陥により圧電体の圧電性能が変化すると考えられている。   As a piezoelectric material having high piezoelectric characteristics, lead zirconate titanate (PZT) perovskite oxide has been proven and widely used. In piezoelectric materials such as PZT-based perovskite oxides, as described in Non-Patent Document 1 and the like, it is considered that the piezoelectric performance of the piezoelectric body changes due to oxygen defects.

例えば、PZTにおいて、ペロブスカイト型酸化物のBサイトに、イオン価数が5価以上のいわゆるドナ元素をドープすると酸素欠陥が低減して圧電性能が高くなるのに対し、イオン価数が3価以下のいわゆるアクセプタイオンを加えると、酸素欠陥が増大して圧電性能が低下することが知られている。   For example, in PZT, doping a so-called donor element having an ionic valence of 5 or more into the B site of a perovskite oxide reduces oxygen defects and increases the piezoelectric performance, whereas the ionic valence is 3 or less. It is known that when so-called acceptor ions are added, oxygen defects increase and the piezoelectric performance decreases.

しかしながら、かかる概念は、カチオンの価数と電荷補償の理論によって酸素欠陥の増減を予想しており、直接酸素欠損を計測しているわけではないため、カチオンの組成比が同一のサンプルであっても酸素欠陥量に違いがあると考えられるが、この酸素欠陥量の違いの判別は難しい。   However, this concept predicts the increase or decrease of oxygen vacancies based on the theory of cation valence and charge compensation, and does not directly measure oxygen vacancies. However, it is considered that there is a difference in the amount of oxygen defects, but it is difficult to determine the difference in the amount of oxygen defects.

特許文献1には、同様に鉛欠陥や酸素欠陥が特性に影響を及ぼすことが記載されており、イオンを偏在的にドープすることにより正に帯電した領域と負に帯電した領域を作製して特性を制御することが開示されている。しかしながら、特許文献1ではイオンの偏在的なドープにより、上記理論に基づいて帯電の正負を調整したと結論づけており、実際に帯電状態の計測結果や、鉛欠陥や酸素欠陥の測定結果の記載はない。   Similarly, Patent Document 1 describes that lead defects and oxygen defects affect the characteristics, and a positively charged region and a negatively charged region are produced by unevenly doping ions. Controlling the characteristics is disclosed. However, Patent Document 1 concludes that the positive / negative of the charge is adjusted based on the above theory due to the uneven distribution of ions, and the actual measurement results of the charged state and the measurement results of the lead defects and oxygen defects are described. Absent.

特許文献2では、酸素欠陥が(NaLi)NbO薄膜における特性に影響を及ぼしており、カリウム−酸素結合とカリウム−金属原子結合の比を調整することで特性の良い膜が得られるということが述べられている。この組成では、PZTなどの鉛系材料と同様、酸素欠損の他にナトリウム、カリウム、リチウムなども揮発し易く、カチオンの欠損もあると考えられるが、両者の欠損がどの程度であるが明確でない。
このように、カチオン欠損や酸素欠損が特性に及ぼすという仮説はあるものの、同一組成において、直接計測して特性を制御できている例はない。
In Patent Document 2, oxygen defects affect the characteristics of the (Na x K y Li z ) NbO 3 thin film, and a film with good characteristics can be obtained by adjusting the ratio of potassium-oxygen bonds to potassium-metal atom bonds. It is stated that it can be obtained. In this composition, as with lead-based materials such as PZT, sodium, potassium, lithium, etc. are likely to volatilize in addition to oxygen vacancies and cation vacancies are thought to be present. .
As described above, although there is a hypothesis that cation deficiency or oxygen deficiency affects the characteristics, there is no example in which the characteristics can be controlled by direct measurement in the same composition.

特開2010−199339号公報JP 2010-199339 A 特開2013−26246号公報JP 2013-26246 A

野口祐二、他1名著、月刊ディスプレー、2009年6月号、p.19Yuji Noguchi, 1 other author, Monthly Display, June 2009, p. 19 藤井隆満、外6名、“高圧電定数NbドープPZT薄膜の形成とそのMEMS応用”、[online]、平成26年研究報告書、富士フイルム株式会社、[平成27年5月20日検索]、インターネット<URL : http://www.fujifilm.co.jp/rd/report/rd059/pack/pdf/ff_rd059_008.pdf>Takamitsu Fujii and 6 others, “Formation of high piezoelectric constant Nb-doped PZT thin film and its MEMS application”, [online], 2014 research report, FUJIFILM Corporation, [searched on May 20, 2015] , Internet <URL: http://www.fujifilm.co.jp/rd/report/rd059/pack/pdf/ff_rd059_008.pdf>

ところで、圧電膜のデバイス化は、従来3〜4インチφのウエハ上で実施されることが主流であったが、近年6インチφウエハや8インチφウエハ上など、大面積のウエハ上に圧電膜をデバイス化することが盛んになっている。ウエハの直径が大きくなるにつれて、その上に成膜される圧電膜の圧電特性の面内ばらつきが問題になる。例えば、インクジェットヘッドの場合、ノズルごとに圧電定数がばらついた場合、吐出液量がばらついてしまい、画質に大きな影響を与える。印加電圧をノズルごとに変えれば同一液量にすることは可能であるが、ノズルごとに補正電圧を変える回路は大変煩雑である。   By the way, piezoelectric devices have been mainly used on 3 to 4 inch φ wafers in the past, but in recent years, piezoelectric films have been formed on large area wafers such as 6 inch and 8 inch φ wafers. It has become popular to make films into devices. As the diameter of the wafer increases, in-plane variation in the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film deposited thereon becomes a problem. For example, in the case of an inkjet head, if the piezoelectric constant varies from nozzle to nozzle, the amount of discharged liquid varies, which greatly affects the image quality. If the applied voltage is changed for each nozzle, the same liquid amount can be obtained, but a circuit for changing the correction voltage for each nozzle is very complicated.

圧電特性の面内ばらつきの要因としては、上記したように、組成のばらつき、及び、上記した欠陥のばらつきが考えられる。しかしながら、欠陥のばらつきについては、上記したように定量的な測定方法が確立していないため、実際に、欠陥のばらつきが圧電特性のばらつきと相関しているかどうかは不明である。組成のばらつきについては、非特許文献2のTable1に記載のように、蛍光X線分析(XRF,x-ray-fluorescence)等を行って均一組成を有する圧電膜を目指す試みがなされている。なお、上記圧電特性の面内ばらつきは、直径100mm以上のウエハを用いた場合においてみられる現象であることが確認されている。   As described above, the variation in composition and the variation in defects described above can be considered as causes of the in-plane variation in piezoelectric characteristics. However, since no quantitative measurement method has been established for the defect variation as described above, it is unclear whether the defect variation actually correlates with the piezoelectric characteristic variation. Regarding variation in composition, as described in Table 1 of Non-Patent Document 2, attempts have been made to achieve a piezoelectric film having a uniform composition by performing fluorescent X-ray analysis (XRF, x-ray-fluorescence) or the like. It is confirmed that the in-plane variation of the piezoelectric characteristics is a phenomenon seen when a wafer having a diameter of 100 mm or more is used.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電膜における原子抜けによる欠陥のばらつきを定量的に判定する評価方法を提供すること、また、直径100mm以上の基板上に圧電膜が形成されてなる積層構造体において、圧電特性の面内ばらつきが抑制された積層構造体及びその製造方法を提供すること目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an evaluation method for quantitatively determining variation in defects due to atomic loss in a piezoelectric film, and a piezoelectric film is formed on a substrate having a diameter of 100 mm or more. It is an object of the present invention to provide a laminated structure in which in-plane variation in piezoelectric characteristics is suppressed and a method for manufacturing the same.

本発明の積層構造体は、直径が100mm以上の基板と、基板上に成膜されてなるペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜とを備えてなり、
圧電膜の基板と反対側の表面において、表面の中央部と周縁部との、エリプソメトリにより測定される波長400nm未満の特定波長における屈折率の差の絶対値が0.1以下である。
The laminated structure of the present invention comprises a substrate having a diameter of 100 mm or more and a piezoelectric film mainly composed of a perovskite oxide formed on the substrate,
On the surface of the piezoelectric film opposite to the substrate, the absolute value of the difference in refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm measured by ellipsometry between the central portion and the peripheral portion of the surface is 0.1 or less.

本明細書において、基板の直径とは、基板の円相当径(外接円の半径)を意味するものとする。
また、「表面の中央部」とは、基板の中心を基準とした半径12mmの円内の1点を意味し、「表面の周縁部」とは、直径を10等分した時の最端部分の1点を意味するものとする。
本明細書において、特に明記しない限り、「屈折率」とは、波長400nm未満のエリプソメトリにより測定される屈折率を意味するものとする。
In this specification, the diameter of the substrate means the equivalent circle diameter of the substrate (the radius of the circumscribed circle).
In addition, the “center part of the surface” means one point in a circle having a radius of 12 mm with respect to the center of the substrate, and the “periphery part of the surface” means the endmost part when the diameter is equally divided into 10 parts. Means one point.
In this specification, unless otherwise specified, “refractive index” means a refractive index measured by ellipsometry with a wavelength of less than 400 nm.

また、本明細書において、「主成分」とは、含量90質量%以上の成分を意味するものとする。   In the present specification, “main component” means a component having a content of 90% by mass or more.

本発明の積層構造体において、表面の中央部と周縁部との屈折率の差の絶対値は0.01以下であることが好ましい。   In the laminated structure of the present invention, the absolute value of the difference in refractive index between the central portion and the peripheral portion of the surface is preferably 0.01 or less.

本発明の積層構造体において、基板は、シリコン基板、シリコン化合物基板、または、シリコンとシリコン化合物との積層体基板であることが好ましい。
また圧電膜は、下記一般式P1
一般式P1 (Pbxa-x)B
で表される少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであり、
一般式P1において、AはPb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むAサイト元素であり、BはTi,Zr,V,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むBサイトの元素であり、xは0<x<aであることが好ましい。
In the laminated structure of the present invention, the substrate is preferably a silicon substrate, a silicon compound substrate, or a laminate substrate of silicon and a silicon compound.
The piezoelectric film has the following general formula P1.
Formula P1 (Pb x A ax ) B b O c
The main component is at least one perovskite oxide represented by:
In the general formula P1, A is an A site element containing at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and a lanthanide element; Is a group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al. It is a B site element containing at least one element selected from the above, and x is preferably 0 <x <a.

また、圧電膜は、下記一般式P2
一般式P2 Pb(Zr,Ti,Mb−y−z)O
で表される少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであり、一般式P2において、MがV,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種のBサイト元素であり、yが0<y<bを満足し、zが0<z<bを満足し、0≦b−y−zであることが好ましい。
The piezoelectric film has the following general formula P2
Formula P2 Pb a (Zr y, Ti z, M b-y-z) O c
In the general formula P2, M is V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, It is at least one B-site element selected from the group consisting of Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al, y satisfies 0 <y <b, and z is It is preferable that 0 <z <b is satisfied and 0 ≦ b−z−z.

本発明の圧電素子は、上記本発明の積層構造体と、積層構造体の圧電膜に電圧を印加する一対の電極とを備えてなるものである。   The piezoelectric element of the present invention comprises the above-described laminated structure of the present invention and a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric film of the laminated structure.

本発明の積層構造体の製造方法は、直径が100mm以上の基板上にペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜を備えてなる積層構造体の製造方法であって、
圧電膜を基板上にスパッタリング法により成膜する圧電膜成膜工程を有し、
圧電膜成膜工程は、ペロブスカイト相を形成しうる酸素濃度の成膜ガスを用いたスパッタリング法を実施する第1工程と、
パイロクロア相を形成しうる酸素濃度の成膜ガス用いたスパッタリング法を実施する第2工程とを順次実施するものであり、
第2工程の成膜時間は、圧電膜成膜工程の全成膜時間の5%未満である。
The method for producing a laminated structure of the present invention is a method for producing a laminated structure comprising a piezoelectric film having a perovskite oxide as a main component on a substrate having a diameter of 100 mm or more,
A piezoelectric film forming step of forming a piezoelectric film on a substrate by a sputtering method;
The piezoelectric film forming step includes a first step of performing a sputtering method using a film forming gas having an oxygen concentration capable of forming a perovskite phase;
A second step of sequentially performing a sputtering method using a film-forming gas having an oxygen concentration capable of forming a pyrochlore phase,
The film formation time in the second step is less than 5% of the total film formation time in the piezoelectric film formation step.

本明細書において、積層構造体の製造方法における第1工程の「ペロブスカイト相を形成しうる酸素濃度」及び第2工程の「パイロクロア相を形成しうる酸素濃度」とは、表面の結晶構造がペロブスカイト型の結晶構造を有さない成膜下地上に圧電膜を成膜する際に、各結晶相を形成しうる酸素濃度を意味するものとする。従って、成膜下地がペロブスカイト型の結晶構造を有している場合は、第2工程の成膜ガスの酸素濃度における成膜においてペロブスカイト相を形成しうる場合もある。   In the present specification, the “oxygen concentration capable of forming a perovskite phase” in the first step and the “oxygen concentration capable of forming a pyrochlore phase” in the second step in the method for producing a laminated structure refer to the surface crystal structure of the perovskite. When a piezoelectric film is formed on a film formation base having no type crystal structure, it means an oxygen concentration capable of forming each crystal phase. Therefore, when the film formation base has a perovskite crystal structure, a perovskite phase may be formed in the film formation at the oxygen concentration of the film formation gas in the second step.

第2工程の成膜時間は、膜厚10nm以上100nm以下の圧電膜を成膜しうる時間であることが好ましい。   The film formation time in the second step is preferably a time during which a piezoelectric film having a film thickness of 10 nm to 100 nm can be formed.

本発明の評価方法は、基板または基板上に1層以上の膜を備えてなる積層構造体の表面の面内組成のばらつきを判定する評価方法であって、積層構造体の表面上の複数の測定点において、波長400nm未満の特定波長における屈折率をエリプソメトリにより測定し、全ての測定点における屈折率のばらつきにより面内組成のばらつきを判定するものである。   The evaluation method of the present invention is an evaluation method for determining variations in the in-plane composition of the surface of a laminated structure comprising a substrate or one or more films on the substrate, and a plurality of evaluation methods on the surface of the laminated structure. At the measurement point, the refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm is measured by ellipsometry, and the variation in in-plane composition is determined by the variation in refractive index at all measurement points.

本発明は、圧電膜における原子抜けによる欠陥のばらつきを定量的に判定する新規評価方法を見いだし、かかる評価方法に基づき、圧電特性の面内ばらつきが抑制された積層構造体を製造可能な新規積層構造体の製造方法を提供するものである。本発明の積層構造体の製造方法によれば、直径が100mm以上の基板上に、表面の中央部と周縁部との波長400nm未満のエリプソメトリにより測定される屈折率の差の絶対値が0.1以下である圧電膜を備えた本発明の積層構造体を製造することができる。本発明によれば、直径が100mm以上の大面積でありながら、圧電特性の面内ばらつきが抑制された圧電膜を備えた積層構造体を提供することができる。   The present invention has found a novel evaluation method for quantitatively determining the variation in defects due to atomic loss in a piezoelectric film, and based on such an evaluation method, a novel laminate capable of producing a laminated structure in which in-plane variation in piezoelectric characteristics is suppressed. A method for manufacturing a structure is provided. According to the method for manufacturing a laminated structure of the present invention, the absolute value of the difference in refractive index measured by ellipsometry with a wavelength of less than 400 nm between the central portion and the peripheral portion of the surface is 0 on a substrate having a diameter of 100 mm or more. A laminated structure of the present invention having a piezoelectric film of less than or equal to 1 can be manufactured. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the laminated structure provided with the piezoelectric film with which the in-plane variation | variation of the piezoelectric characteristic was suppressed, although it was a large area whose diameter is 100 mm or more can be provided.

本発明にかかる一実施形態の積層構造体の構成を示す概略断面図及び上面図。The schematic sectional drawing and top view which show the structure of the laminated structure of one Embodiment concerning this invention. 従来の積層構造体における原子抜けによる欠陥の分布の様子を模式的に示した図。The figure which showed typically the mode of the distribution of the defect by atomic loss in the conventional laminated structure. 本発明にかかる一実施形態の圧電素子の構成を示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. PZT薄膜を備えた従来の積層構造体において、圧電膜表面のエリプソメトリ測定結果を示す図。The figure which shows the ellipsometry measurement result of the piezoelectric film surface in the conventional laminated structure provided with the PZT thin film.

本発明者は、圧電膜における欠陥のばらつきを定量的に判定する評価方法について鋭意検討を行った。本発明者は、膜組成と膜の屈折率との相関関係に着目し、従来の製造方法により製造した高圧電定数を有する圧電膜を備えた積層構造体について、圧電膜の屈折率をエリプソメトリにより測定した。   The inventor has intensively studied an evaluation method for quantitatively determining the variation of defects in the piezoelectric film. The present inventor paid attention to the correlation between the film composition and the refractive index of the film, and determined the refractive index of the piezoelectric film by ellipsometry for a laminated structure including a piezoelectric film having a high piezoelectric constant manufactured by a conventional manufacturing method. It was measured by.

エリプソメトリは試料によって変化する光の偏光状態をあらわすPsi(Ψ)とDelta(Δ)の2つの値を測定するものであり、分光エリプソメトリは、これらの値の波長依存性をそれぞれ測定することができる。本発明者が従来の製造方法により製造した高圧電定数を有する圧電膜について、分光エリプソメトリスペクトルを測定した結果、波長400nm以上のスペクトルにはほとんど差がなく、一方で、400nm未満のスペクトルでは明瞭な差が存在する場合があることを見出した。   Ellipsometry measures two values, Psi (Ψ) and Delta (Δ), which represent the polarization state of light that varies depending on the sample, and spectroscopic ellipsometry measures the wavelength dependence of these values, respectively. Can do. As a result of measuring the spectroscopic ellipsometry spectrum of the piezoelectric film having a high piezoelectric constant manufactured by the present inventor using the conventional manufacturing method, there is almost no difference in the spectrum having a wavelength of 400 nm or more, while the spectrum having a wavelength of less than 400 nm is clear. We have found that there may be significant differences.

その一例として、2つの圧電膜表面(A,B)におけるPsi(Ψ)の波長依存性を示す分光エリプソメトリ測定結果を図4に示す。図4に示されるデータは、woollam社製エリプソメトリM2000-Uにより、入射角度70度にて測定光を圧電膜表面に入射させた場合の分光エリプソメトリ測定結果である。   As an example, FIG. 4 shows a spectroscopic ellipsometry measurement result indicating the wavelength dependence of Psi (Ψ) on two piezoelectric film surfaces (A, B). The data shown in FIG. 4 is a spectroscopic ellipsometry measurement result when measurement light is incident on the surface of the piezoelectric film at an incident angle of 70 degrees using an ellipsometry M2000-U manufactured by woollam.

図4には、圧電膜の分光エリプソメトリのデータにおいて、波長400nm以上のスペクトルはAとBとでほとんど差がないのに対し、400nm未満のスペクトルではAとBとで明瞭な差が存在すること、すなわち、400nm以上の通常のエリプソメトリでは同一な屈折率を示す圧電膜でも、400nm未満のエリプソメトリで得られた表面付近の屈折率には差があることが示されている。図4に示される各スペクトルデータを、ガウシアン振動子を用いて吸収を仮定した誘電関数モデルを使用し、fittingにより波長300nmにおける屈折率を求めた結果、Aが2.81、Bが3.05であった。   In FIG. 4, in the spectral ellipsometry data of the piezoelectric film, the spectrum having a wavelength of 400 nm or more has almost no difference between A and B, whereas the spectrum having a wavelength of less than 400 nm has a clear difference between A and B. That is, it is shown that there is a difference in the refractive index in the vicinity of the surface obtained by the ellipsometry of less than 400 nm even with a piezoelectric film having the same refractive index in ordinary ellipsometry of 400 nm or more. Each spectral data shown in FIG. 4 is obtained by using a dielectric function model assuming absorption using a Gaussian vibrator and obtaining a refractive index at a wavelength of 300 nm by fitting. As a result, A is 2.81 and B is 3.05. Met.

本発明者は、エリプソメトリの測定により、波長400nm未満では表層の空気界面のみの屈折率を計測できることを見出した。図4において、波長400nm未満では、光の進入深さ (1/α:消衰係数) に対し、試料の膜厚が十分に厚く、基板界面からの反射による光学干渉効果を無視できために、波長に対する測定パラメーター Δ,Ψの周期的強度変化が観測されない。すなわち、波長400nm未満の測定結果から、空気界面表層の屈折率を測定することができる。   The inventor has found that the refractive index of only the air interface of the surface layer can be measured at a wavelength of less than 400 nm by ellipsometry measurement. In FIG. 4, when the wavelength is less than 400 nm, the thickness of the sample is sufficiently thick with respect to the light penetration depth (1 / α: extinction coefficient), and the optical interference effect due to reflection from the substrate interface can be ignored. Periodic intensity changes of the measurement parameters Δ and Ψ with respect to the wavelength are not observed. That is, the refractive index of the air interface surface layer can be measured from the measurement result having a wavelength of less than 400 nm.

一方、波長400nm以上の長波長側では、光の進入深さに対し、測定試料の膜厚が薄いために、波長に対する測定パラメーターΔ,Ψの周期的強度変化が観測される。それゆえに測定試料全域の平均的屈折率を計測することになる。   On the other hand, on the long wavelength side with a wavelength of 400 nm or more, since the film thickness of the measurement sample is thin with respect to the light penetration depth, periodic intensity changes of the measurement parameters Δ and Ψ with respect to the wavelength are observed. Therefore, the average refractive index of the entire measurement sample is measured.

すなわち、エリプソメトリによる波長400nm未満の特定波長における屈折率の測定により、被測定対象である基板や膜の表面から100nm以下の深さの表層部における屈折率を測定可能であり、かかる屈折率の値から、100nm以下の深さの表層部における測定点の組成及び欠陥の量を見積もることができる。   That is, by measuring the refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm by ellipsometry, it is possible to measure the refractive index in the surface layer portion at a depth of 100 nm or less from the surface of the substrate or film to be measured. From the value, it is possible to estimate the composition of the measurement points and the amount of defects in the surface layer portion having a depth of 100 nm or less.

また、複数の測定点において、エリプソメトリによる波長400nm未満の特定波長における屈折率を測定することにより、被測定対象である基板や膜の表面から100nm以下の深さの表層部における、面内組成や欠陥のばらつきを判定することができる。   Further, by measuring the refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm by ellipsometry at a plurality of measurement points, the in-plane composition in the surface layer portion at a depth of 100 nm or less from the surface of the substrate or film to be measured And variations in defects can be determined.

上記基板や膜の表層部の組成や欠陥の評価方法は、エリプソメトリによる測定が可能なものであれば、測定対象となる基板の種類や膜の種類、その積層構造については特に限定されず適用することができる。特に、スパッタリング法により成膜する際に逆スパッタされやすい元素を含む膜の評価や、膜厚100nm以下の表層部のみの組成の評価が必要な積層構造体の評価に好適に用いることができる。   As long as the composition of the surface layer portion of the substrate or film and the method for evaluating defects can be measured by ellipsometry, the type of substrate to be measured, the type of film, and the laminated structure thereof are not particularly limited. can do. In particular, it can be suitably used for evaluation of a film containing an element that is easily reverse-sputtered when a film is formed by a sputtering method, and evaluation of a laminated structure that requires evaluation of the composition of only the surface layer portion with a film thickness of 100 nm or less.

本発明者は、スパッタリング法による成膜において、逆スパッタ等により生じる欠陥やそれに伴う酸素欠陥は、連続して成膜された上層の膜中から補われるため、常に膜の表層付近に存在すると考えている。その場合、表層部分に形成される欠陥の抑制を積極的に行わない場合は、表層部分の屈折率や組成と、膜全体としての屈折率や組成とは一致しないことになる。これは、図4に示される結果と一致している。   The present inventor believes that defects caused by reverse sputtering and the accompanying oxygen defects in film formation by sputtering are compensated from the upper film formed continuously, and therefore always exist in the vicinity of the surface layer of the film. ing. In that case, if the suppression of defects formed in the surface layer portion is not actively performed, the refractive index and composition of the surface layer portion do not match the refractive index and composition of the entire film. This is consistent with the results shown in FIG.

「背景技術」の項目等において述べてきたように、優れた圧電性を有する機能性膜として知られるPZT膜等のPb含有ペロブスカイト型酸化物において、Aサイト元素の主成分であるPbは揮発性が高く(融点が低く)逆スパッタされやすい元素、すなわち、欠陥を生じやすい元素であり、Pb欠陥やそれに伴って生じる酸素欠陥のばらつきにより圧電特性のばらつきを生じるため、Pb含有ペロブスカイト型酸化物膜について、上記評価方法により表層部の屈折率のばらつきを判定することは、圧電特性のばらつきを判定することになる。   As described in the “Background Art” section, etc., in Pb-containing perovskite oxides such as PZT films known as functional films having excellent piezoelectricity, Pb, which is the main component of the A-site element, is volatile. Pb-containing perovskite-type oxide film, which is a high element (low melting point) element that is easily reverse sputtered, that is, an element that easily generates defects, and causes variations in piezoelectric characteristics due to variations in Pb defects and oxygen defects that accompany it. With regard to the above, determining the variation in the refractive index of the surface layer portion by the above evaluation method determines the variation in the piezoelectric characteristics.

ペロブスカイト型酸化物膜のスパッタリング法による成膜において、逆スパッタは、膜を構成する金属元素のうち、融点が成膜温度以下の金属の場合に生じる。例えば、Pbは融点が327℃と低く、後記実施例で示すPZT系膜の成膜温度よりも低い。Pbと同様に、成膜温度よりも融点が低くなるAサイト元素としては、Na(融点97℃)、K(融点63℃)、Bi(融点270℃)等がある。従って、これらの元素を含むペロブスカイト型酸化物膜の特性の評価において、上記評価方法による表層部の組成、欠陥の有無やばらつきを測定することにより、特性及びそのばらつきを見積もることができる。   In the deposition of a perovskite oxide film by a sputtering method, reverse sputtering occurs when the melting point of the metal element constituting the film is a metal that is equal to or lower than the deposition temperature. For example, Pb has a melting point as low as 327 ° C., which is lower than the deposition temperature of the PZT-based film shown in the examples described later. Similar to Pb, the A site element having a melting point lower than the film forming temperature includes Na (melting point 97 ° C.), K (melting point 63 ° C.), Bi (melting point 270 ° C.), and the like. Therefore, in the evaluation of the characteristics of the perovskite oxide film containing these elements, the characteristics and the variations thereof can be estimated by measuring the composition of the surface layer portion, the presence or absence of defects, and the variations by the above evaluation method.

本発明者は、上記評価方法により、従来のPZT系ペロブスカイト型酸化物のスパッタ膜(以後、PZT系圧電膜と略記することがある。)の表面において、表層部のみの屈折率及びそのばらつき、また、全膜厚の組成や欠陥を反映させた屈折率(以後、膜全体の屈折率と称することがある。)及びそのばらつきについてそれぞれ調べた。その結果、従来のPZT系圧電膜において、膜の表層部分における屈折率は、膜全体の屈折率に比して面内ばらつきが大きいこと、また、表層部分の屈折率を変化させる主な要因が原子抜けによる欠陥(鉛含有ペロブスカイト型酸化物であれば鉛欠陥や酸素欠陥)であり、この表層付近の欠陥を低減することにより、膜表層部分の屈折率の面内ばらつきを低減し、且つ、面内特性ばらつきを低減できることを見出した。   The inventor of the present invention uses the above evaluation method to determine the refractive index of the surface layer only and its variation on the surface of a conventional sputtered PZT-based perovskite oxide film (hereinafter sometimes abbreviated as PZT-based piezoelectric film). Further, the refractive index reflecting the composition and defects of the entire film thickness (hereinafter sometimes referred to as the refractive index of the entire film) and its variation were examined. As a result, in the conventional PZT-based piezoelectric film, the refractive index in the surface layer portion of the film has a large in-plane variation compared to the refractive index of the entire film, and the main factors that change the refractive index of the surface layer portion are Defects due to atomic loss (lead defects and oxygen defects in the case of lead-containing perovskite type oxides), by reducing defects near the surface layer, reducing in-plane variation in the refractive index of the film surface layer portion, and It was found that variation in in-plane characteristics can be reduced.

本発明者は更に、上記した成膜温度よりも融点が低くなり得る低融点金属(Na,K,Pb,Bi等)をAサイトに含む、特にAサイトの主成分としているペロブスカイト型酸化物膜において、膜表層部分の欠陥を低減させた新規圧電膜の成膜方法及び膜表層部分の欠陥の少ない、面内特性の均一性の高い直径mm以上の基板上に成膜されてなる新規圧電膜を見いだした。
以下に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態の積層構造体及びそれを備えた圧電素子について、また積層構造体の製造方法について説明する。図1は、本実施形態の積層構造体1の上面図及び概略構成断面図である。視認しやすくするために、本明細書の図面において、各部の縮尺は適宜変更して示してある。
The inventor further includes a perovskite oxide film containing a low melting point metal (Na, K, Pb, Bi, etc.) having a melting point lower than the above-described film forming temperature, in particular, as a main component of the A site. Method for forming a novel piezoelectric film with reduced defects on the surface layer of the film and a novel piezoelectric film formed on a substrate having a diameter of mm or more with a high uniformity of in-plane characteristics with few defects on the surface layer of the film I found.
Hereinafter, a laminated structure and a piezoelectric element including the laminated structure according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the laminated structure will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a top view and a schematic cross-sectional view of a laminated structure 1 according to this embodiment. In order to facilitate visual recognition, the scale of each part is appropriately changed in the drawings of the present specification.

図1に示されるように、積層構造体1は、直径が100mm以上の基板10と、基板10上に成膜されてなるペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜30とを備えてなり、圧電膜30の基板10と反対側の表面30sにおいて、表面の中央部30scと周縁部30spとの、エリプソメトリにより測定される波長400nm未満の特定波長における屈折率の差の絶対値|nsc−nsp|が0.1以下である。屈折率nscが表面の中央部30scの屈折率、屈折率nspが表面の周縁部30spの屈折率である。屈折率の差の絶対値|nsc−nsp|は、表面の中央部30scと周縁部30spの表層部の、欠陥量の違いを含む組成の違いに相当するものであるので、圧電膜30の圧電特性の差と相関すると考えられる。従って、表面の中央部30scと周縁部30spとの屈折率の差の絶対値|nsc−nsp|はより少ない方が好ましく、0以上0.01以下であることが好ましい。
なお、図1では、圧電素子として使用する場合の主要な構成として、基板10上に、下部電極20を介して圧電膜30が備えられてなる態様で示してある。下部電極20については圧電素子の項目において説明する。
As shown in FIG. 1, the laminated structure 1 includes a substrate 10 having a diameter of 100 mm or more, and a piezoelectric film 30 mainly composed of a perovskite oxide formed on the substrate 10, On the surface 30 s of the piezoelectric film 30 opposite to the substrate 10, the absolute value of the difference in refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm measured by ellipsometry between the central portion 30 sc and the peripheral portion 30 sp of the surface | n sc − n sp | is 0.1 or less. The refractive index n sc is the refractive index of the central portion 30sc of the surface, and the refractive index n sp is the refractive index of the peripheral portion 30sp of the surface. Since the absolute value | n sc −n sp | of the difference in refractive index corresponds to the difference in composition including the difference in the amount of defects between the surface central part 30sc and the peripheral part 30sp of the surface, the piezoelectric film 30 This is considered to correlate with the difference in piezoelectric characteristics. Accordingly, the absolute value | n sc −n sp | of the difference in refractive index between the central portion 30sc and the peripheral portion 30sp of the surface is preferably smaller, and is preferably 0 or more and 0.01 or less.
In FIG. 1, as a main configuration when used as a piezoelectric element, a mode in which a piezoelectric film 30 is provided on a substrate 10 via a lower electrode 20 is shown. The lower electrode 20 will be described in the item of piezoelectric element.

積層構造体1において、基板10は直径が100mm以上の基板であれば特に制限されないが、MEMS等の基板として用いられるシリコン基板、シリコン化合物基板、または、シリコンとシリコン化合物との積層体基板が好ましい。   In the laminated structure 1, the substrate 10 is not particularly limited as long as the substrate has a diameter of 100 mm or more. However, a silicon substrate used as a substrate for MEMS or the like, a silicon compound substrate, or a laminate substrate of silicon and a silicon compound is preferable. .

圧電膜30としては、ペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであれば、その組成及び膜厚は特に制限されない。ペロブスカイト型酸化物としては、成膜温度よりも融点が低くなり得る低融点金属(Na,K,Pb,Bi等)をAサイトに含む、特にかかる低融点金属をAサイトの主成分としている圧電膜30は、融点以上の加熱条件(成膜されている基板の温度が融点以上の場合も含む)、あるいは、加熱条件下でのスパッタリングにより膜表面から抜けやすい。また、既に述べたように、膜表面における原子抜けによる欠陥は、成膜が進むにつれて上層から元素が補充されるため、原子抜けによる欠陥は表層部に主に存在し、また、従来表層部の欠陥の存在や位置を検出することができなかったので、表層部の欠陥を抑制するための製造方法が適用されてこなかった。図2は、Pb含有ペロスカイト型酸化物膜を例に、従来の圧電膜の表層部の欠陥の分布の予想図を模式的に示したものである。   The piezoelectric film 30 is not particularly limited in its composition and film thickness as long as it has a perovskite oxide as a main component. The perovskite oxide includes a low melting point metal (Na, K, Pb, Bi, etc.) whose melting point can be lower than the film forming temperature at the A site, and in particular, a piezoelectric having such a low melting point metal as the main component of the A site. The film 30 is easily removed from the film surface by heating conditions higher than the melting point (including the case where the temperature of the substrate on which the film is formed is higher than the melting point) or sputtering under the heating conditions. In addition, as already described, since defects due to atomic loss on the film surface are supplemented with elements from the upper layer as film formation proceeds, defects due to atomic loss mainly exist in the surface layer portion, and in the conventional surface layer portion, Since the presence and position of the defect could not be detected, a manufacturing method for suppressing a defect in the surface layer portion has not been applied. FIG. 2 schematically shows an expected distribution of defects in the surface layer of a conventional piezoelectric film, taking a Pb-containing perovskite oxide film as an example.

圧電膜30は、直径が100mm以上の基板10上に、圧電膜30をスパッタリング法により成膜する圧電膜成膜工程を有し、圧電膜成膜工程は、ペロブスカイト相を形成しうる酸素濃度の成膜ガスを用いたスパッタリング法を実施する第1工程と、
パイロクロア相を形成しうる酸素濃度の成膜ガス用いたスパッタリング法を実施する第2工程とを順次実施するものであり、第2工程の成膜時間は、圧電膜成膜工程の全成膜時間の5%未満である本発明の積層構造体の製造方法により製造することができる。
The piezoelectric film 30 has a piezoelectric film forming process for forming the piezoelectric film 30 on the substrate 10 having a diameter of 100 mm or more by a sputtering method. The piezoelectric film forming process has an oxygen concentration capable of forming a perovskite phase. A first step of performing a sputtering method using a deposition gas;
The second step of performing a sputtering method using a film forming gas having an oxygen concentration capable of forming a pyrochlore phase is sequentially performed. The film forming time of the second step is the total film forming time of the piezoelectric film forming step. It can be manufactured by the manufacturing method of the laminated structure of the present invention, which is less than 5%.

成膜温度よりも融点が低いAサイト金属元素を含むペロブスカイト型酸化物膜を、スパッタリング法により成膜する場合、Aサイト金属元素の酸化物からなるターゲットがスパッタされることにより、Aサイト金属元素の酸化物の一部がAサイト金属として成膜される条件である場合にペロブスカイト構造を形成しやすいと考えられている。以下に示す反応式は、そのターゲットの金属酸化物の、ペロブスカイト構造形成時のスパッタリングにおける反応を示したものである。かかる反応において、成膜温度よりもAサイト金属元素の融点が成膜温度よりも低いので、成膜された膜中において、Aサイト金属液体の状態となっている。従って、かかるAサイト金属元素を含む場合には、Aサイト元素が逆スパッタにより表面から抜けやすく,また、スパッタされやすさや基板温度のむらにより、そのAサイト元素の抜けの量は異なるため、組成むらとなりやすい。
PbO1-δ → δPb+(1-δ)PbO
Bi3−3δ → 2δBi+ (1−δ)Bi3
Na1-δ → 2δNa+ (1−δ)Na
1-δ → 2δK + (1−δ)K
When a perovskite oxide film containing an A-site metal element having a melting point lower than the film-forming temperature is formed by a sputtering method, a target made of an oxide of the A-site metal element is sputtered, whereby the A-site metal element It is considered that a perovskite structure is easily formed when a part of the oxide is in a condition that a film is formed as an A-site metal. The reaction formula shown below shows the reaction in sputtering of the target metal oxide during the formation of the perovskite structure. In such a reaction, since the melting point of the A-site metal element is lower than the film-forming temperature than the film-forming temperature, the A-site metal liquid is in the formed film. Therefore, when such an A-site metal element is included, the A-site element is easily removed from the surface by reverse sputtering, and the amount of the A-site element is different depending on the ease of sputtering and the uneven substrate temperature. It is easy to become.
PbO 1−δ → δPb + (1-δ) PbO
Bi 2 O 3−3δ → 2δBi + (1−δ) Bi 2 O 3
Na 2 O 1-δ → 2δNa + (1-δ) Na 2 O
K 2 O 1-δ → 2δK + (1−δ) K 2 O

本発明の積層構造体の製造方法では、圧電膜成膜工程において、第1工程において、上記Aサイトの金属元素が成膜される条件にて、全成膜時間の95%以上の成膜を行い、最後の5%未満の成膜時間を、表面の欠陥の形成を抑制しうる条件、すなわち、Aサイトの金属元素が成膜されにくく、よりAサイト金属元素の酸化物が成膜されやすい条件である高酸素濃度条件により成膜する第2工程を実施する。この第2工程は、Aサイト金属元素が成膜されにくい条件であることから、下地がペロブスカイト構造を有しており、且つ、下地からの規制力が成膜に及ぶ膜厚範囲内を除いて、パイロクロア相を形成しうる条件となる。第2工程の成膜時間は、膜厚10nm以上100nm以下の圧電膜を成膜しうる時間であることが好ましい。第2の工程により成膜される圧電膜の膜厚が10nm未満では表層部の欠陥の低減効果が充分に得ることが難しく、100nm超では下地からの規制力が弱くなるため、第2工程により成膜された圧電膜の膜厚が100nmを超える部分の膜にパイロクロア相が増加し、圧電特性が低下してしまう。   In the method for manufacturing a laminated structure of the present invention, in the piezoelectric film forming step, in the first step, film formation is performed for 95% or more of the total film formation time under the condition that the metal element at the A site is formed. The final film formation time of less than 5% is a condition that can suppress the formation of defects on the surface, that is, the metal element at the A site is difficult to form, and the oxide of the A site metal element is more easily formed. A second step of forming a film under the high oxygen concentration condition that is the condition is performed. In this second step, since the A-site metal element is difficult to form a film, the underlayer has a perovskite structure, and the regulation force from the underlayer is within a film thickness range that extends to the film formation. This is a condition capable of forming a pyrochlore phase. The film formation time in the second step is preferably a time during which a piezoelectric film having a film thickness of 10 nm to 100 nm can be formed. If the film thickness of the piezoelectric film formed in the second step is less than 10 nm, it is difficult to obtain a sufficient effect of reducing defects in the surface layer portion, and if it exceeds 100 nm, the regulation force from the ground becomes weak. The pyrochlore phase increases in the film where the film thickness of the formed piezoelectric film exceeds 100 nm, and the piezoelectric characteristics deteriorate.

上記した、融点の低いAサイト元素Na,K,Bi,Pbはいずれも、上記の理由により表面のAサイト抜け及びそれに伴う酸素抜けを生じやすく欠陥を生じやすいことから、かかるAサイト元素を含むペロブスカイト型酸化物膜、特に、AサイトとBサイトの金属元素のうち40モル%以上がこれら融点の低い元素である場合は、更には、融点の低い元素の80%以上がAサイトを占めるものである場合に、本発明の積層構造体の製造方法は好適である。   The above-described A-site elements Na, K, Bi, and Pb having a low melting point easily cause defects on the surface due to the A-site loss and the accompanying oxygen loss due to the reasons described above. Perovskite-type oxide film, especially when 40 mol% or more of the metal elements of the A site and B site are elements having a low melting point, more than 80% of the elements having a low melting point occupy the A site In this case, the method for producing a laminated structure of the present invention is suitable.

一方、融点の低いAサイト元素のうち、NaやKは、融点が100℃以下と非常に低いため還元雰囲気での含有量のコントロールがやや難しい。従って、本発明の積層構造体の製造方法は、Aサイト金属がPbまたはBiである場合に特に好適である。
また、本発明の積層構造体の製造方法は、融点が成膜温度よりも高いAサイト金属元素を、AサイトとBサイトの金属元素のうち40モル%以上含む場合は適用することは難しい。
On the other hand, among the A-site elements having a low melting point, Na and K have a melting point as low as 100 ° C. or less, so it is somewhat difficult to control the content in a reducing atmosphere. Therefore, the manufacturing method of the laminated structure of the present invention is particularly suitable when the A-site metal is Pb or Bi.
In addition, it is difficult to apply the method for manufacturing a laminated structure of the present invention when the A site metal element having a melting point higher than the film forming temperature is contained in an amount of 40 mol% or more of the A site and B site metal elements.

後記実施例にも示されるように、本発明の積層構造体の製造方法は、圧電膜30が、Pb含有ペロブスカイト型酸化物を主成分とする場合に特に好適であり、Pb含有ペロブスカイト型酸化物としては、下記一般式P1で表される少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物、また、下記一般式P2で表される少なくとも1種のを主成分とするペロブスカイト型酸化物が好ましい。   As will be described later in Examples, the method for producing a laminated structure of the present invention is particularly suitable when the piezoelectric film 30 is mainly composed of a Pb-containing perovskite oxide, and the Pb-containing perovskite oxide. Are preferably at least one perovskite oxide represented by the following general formula P1, and at least one perovskite oxide represented by the following general formula P2.

一般式P1 (Pbxa-x)B
一般式P1において、AはPb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むAサイト元素であり、BはTi,Zr,V,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むBサイトの元素であり、xは0<x<aである。
Formula P1 (Pb x A ax ) B b O c
In the general formula P1, A is an A site element containing at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and a lanthanide element; Is a group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al. A B-site element containing at least one element selected from x, and x is 0 <x <a.

一般式P2 Pb(Zr,Ti,Mb−y−z)O
一般式P2において、MがV,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種のBサイト元素であり、yが0<y<bを満足し、zが0<z<bを満足し、0≦b−y−zである。
なお、一般式P1及びP2において、a:b:cは1:1:3が標準であるが、ペロブスカイト型をとりうる範囲内で標準からずれてもよい。
Formula P2 Pb a (Zr y, Ti z, M b-y-z) O c
In general formula P2, M is from V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al. And at least one B-site element selected from the group consisting of y satisfying 0 <y <b, z satisfying 0 <z <b, and 0 ≦ b−z.
In general formulas P1 and P2, a: b: c is 1: 1: 3 as a standard, but may be deviated from the standard within a range where a perovskite type can be taken.

一般式(P2)で表されるペロブスカイト型酸化物は、PZT系ペロブスカイト型酸化物であり、式中のMは、Bサイトへのドーパントを意味している。上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式(P2)で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。   The perovskite oxide represented by the general formula (P2) is a PZT-based perovskite oxide, and M in the formula means a dopant to the B site. Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead niobate zirconate titanate, and lead lanthanum zirconate titanate. The piezoelectric film may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P2).

一般式(P2)において、ZrとTiの比は特に制限されないが、モルフォトロピック相境界(Morphotropic Phase Boundary:MPB)組成の比であることが、大きな圧電定数を有するため好ましい。MPB組成の比は、x:y=52:48である。   In the general formula (P2), the ratio of Zr to Ti is not particularly limited, but a ratio of morphotropic phase boundary (MPB) composition is preferable because it has a large piezoelectric constant. The ratio of MPB composition is x: y = 52: 48.

圧電特性向上の観点等において、ドーパントMとして、VA族、VB族、VIA族、及びVIB族等のBサイト元素を含むことが好ましい。既に述べたように、MがNbである場合は、圧電特性がより高く好ましい。特に、Nbを高濃度ドープしたPZTスパッタ膜は、Nbドープによる圧電性向上効果が効果的に発現されるため、より好ましい。   From the viewpoint of improving the piezoelectric characteristics, it is preferable that the dopant M contains a B-site element such as a VA group, a VB group, a VIA group, and a VIB group. As described above, when M is Nb, the piezoelectric characteristics are higher and preferable. In particular, a PZT sputtered film in which Nb is doped at a high concentration is more preferable because an effect of improving piezoelectricity by Nb doping is effectively expressed.

本発明の積層構造体の製造方法において、圧電膜成膜工程における基板の温度は,第1工程においてペロブスカイト型の結晶構造を有する膜が得られる条件であれば特に制限されないが、圧電膜30がPb含有ペロブスカイト型酸化物を主成分とするものである場合は、400℃以上500℃以下であることが好ましい。   In the method for manufacturing a laminated structure of the present invention, the temperature of the substrate in the piezoelectric film forming step is not particularly limited as long as a film having a perovskite crystal structure is obtained in the first step. When the main component is a Pb-containing perovskite oxide, the temperature is preferably 400 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.

圧電膜成膜工程において、第1工程における成膜ガス中の酸素濃度と第2工程における成膜ガス中の酸素濃度については既に述べたとおりであるが、具体的な成膜ガス中の酸素量は、酸素ガスとして供給される酸素と、ターゲットから供給される酸素の総和で決定される。ターゲットから供給される酸素量は、ターゲットの焼成ばらつきによるバッチ間差や成膜レート(成膜パワー)である程度の幅を有する。   In the piezoelectric film forming step, the oxygen concentration in the film forming gas in the first step and the oxygen concentration in the film forming gas in the second step are as described above. Is determined by the sum of oxygen supplied as oxygen gas and oxygen supplied from the target. The amount of oxygen supplied from the target has a certain range depending on the batch-to-batch difference and the film forming rate (film forming power) due to the firing variation of the target.

後記実施例において、成膜ガス中の酸素濃度は、第1工程では、1.0%超5.0%以下であることが好ましく、1.3%以上2.6%以下であることがより好ましいという結果が得られた。また、第2工程では、5.0%超であることが好ましく、5.2%以上であることがより好ましいという結果が得られた。第2工程において、かかる酸素濃度の成膜ガスを用いることにより、良好に圧電膜30の表層部の欠陥を抑制することができる。上記したように、成膜ガス中の酸素濃度(酸素条件)は適宜選択され、この酸素分圧には必ずしも限定されない。   In the examples described later, the oxygen concentration in the deposition gas is preferably more than 1.0% and 5.0% or less in the first step, and more preferably 1.3% or more and 2.6% or less. A favorable result was obtained. Moreover, in the 2nd process, it was preferable that it is more than 5.0%, and it is more preferable that it is 5.2% or more. In the second step, defects in the surface layer portion of the piezoelectric film 30 can be satisfactorily suppressed by using a film forming gas having such an oxygen concentration. As described above, the oxygen concentration (oxygen condition) in the film forming gas is appropriately selected and is not necessarily limited to this oxygen partial pressure.

以上説明したように、本発明の積層構造体の製造方法は、圧電特性の面内ばらつきが抑制された積層構造体を製造可能な新規積層構造体の製造方法であり、本発明の積層構造体の製造方法により製造された積層構造体1は、直径が100mm以上の基板10上に、表面の中央部30scと周縁部30spとの波長400nm未満のエリプソメトリにより測定される屈折率の差の絶対値が0.1以下である圧電膜30を備えてなり、直径が100mm以上の大面積でありながら、圧電特性の面内ばらつきが抑制された圧電膜30を備えたものとなる。   As described above, the method for manufacturing a laminated structure of the present invention is a method for manufacturing a novel laminated structure capable of manufacturing a laminated structure in which in-plane variation in piezoelectric characteristics is suppressed. The laminated structure 1 manufactured by the manufacturing method of FIG. 1 is obtained by measuring the absolute difference in refractive index measured by ellipsometry with a wavelength of less than 400 nm between the central portion 30sc and the peripheral portion 30sp of the surface on the substrate 10 having a diameter of 100 mm or more. The piezoelectric film 30 having a value of 0.1 or less is provided, and the piezoelectric film 30 having a large area with a diameter of 100 mm or more and suppressed in-plane variation in piezoelectric characteristics is provided.

積層構造体1は、上記本発明の積層構造体の製造方法以外の製造方法によっても製造することができる。Pb含有ペロブスカイト型酸化物を例にとると、成膜は、PbO1-δ → δPb+(1-δ)PbO の式に示されるように、鉛量と酸素量のバランスによって決定されている。上記本発明の積層構造体の製造方法では、成膜ガス中の酸素濃度を第1工程よりも第2工程の方を高くする、すなわち、酸素ガス供給量を第1工程と第2工程とで変化させて鉛量と酸素量のバランスをコントロールすることにより、表層部の欠陥量を低減させているが、同様の効果が得られる範囲内で第1工程と第2工程における他の条件を変化させてもよい。
酸素ガス供給量以外の、鉛量と酸素量のバランスをコントロール可能な成膜ファクターとしては特に制限されないが、成膜中のプラズマパワー、プラズマ電位、基板温度等が挙げられる。これらのファクターは、酸素供給量の変更と異なり、鉛及び酸素いずれの量も変化するため、これらのファクターによる鉛量と酸素量のバランスのコントロールは、本明細書記載のエリプソメトリのデータを元に適宜設計して行うことができる。
The laminated structure 1 can also be produced by a production method other than the production method of the laminated structure of the present invention. Taking a Pb-containing perovskite oxide as an example, the film formation is determined by the balance between the amount of lead and the amount of oxygen, as shown by the formula PbO 1−δ → δPb + (1-δ) PbO 2. In the manufacturing method of the laminated structure of the present invention, the oxygen concentration in the film forming gas is higher in the second step than in the first step, that is, the oxygen gas supply amount is set in the first step and the second step. The amount of defects in the surface layer is reduced by changing the balance between the lead amount and the oxygen amount, but other conditions in the first step and the second step are changed within the range where the same effect can be obtained. You may let them.
The film formation factor that can control the balance between the lead amount and the oxygen amount other than the oxygen gas supply amount is not particularly limited, and examples thereof include plasma power, plasma potential, and substrate temperature during film formation. These factors differ from changes in the oxygen supply amount, and both lead and oxygen amounts change. Therefore, the control of the balance between the lead amount and the oxygen amount by these factors is based on the ellipsometry data described in this specification. It can be designed and performed as appropriate.

積層構造体1は、図3に示されるように、積層構造体1の圧電膜30を挟持する一対の電極(下部電極20と上部電極40)と、圧電膜30に電圧を印加する電圧印加手段50を更に備えることにより、圧電素子2とすることができる。   As shown in FIG. 3, the multilayer structure 1 includes a pair of electrodes (lower electrode 20 and upper electrode 40) that sandwich the piezoelectric film 30 of the multilayer structure 1, and voltage applying means that applies a voltage to the piezoelectric film 30. By further including 50, the piezoelectric element 2 can be obtained.

下部電極20の主成分としては、特に制限されないが、PtやIr等の白金族元素、Al,Ta,Cr,Cu等の一般的に半導体プロセスで用いられている金属元素、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極20の厚みは特に制限されないが、50〜500nmであることが好ましい。   The main component of the lower electrode 20 is not particularly limited, but platinum group elements such as Pt and Ir, metal elements generally used in semiconductor processes such as Al, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof include Can be mentioned. The thickness of the lower electrode 20 is not particularly limited, but is preferably 50 to 500 nm.

圧電膜30の膜厚は特に制限なく、0.5μm以上10μm以下が好ましく、1〜5μmがより好ましい。かかる膜厚範囲の圧電体膜とすることにより、圧電性能を充分に発揮することができ、また、応力が強すぎて大きく基板が反るという問題が生じにくくなる。   The film thickness of the piezoelectric film 30 is not particularly limited and is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 1 to 5 μm. By using the piezoelectric film having such a film thickness range, the piezoelectric performance can be sufficiently exhibited, and the problem that the substrate is warped greatly due to excessive stress is less likely to occur.

上部電極40の主成分としては特に制限なく、下部電極30で例示した材料と同じ材料が例示される。   The main component of the upper electrode 40 is not particularly limited, and the same material as that exemplified for the lower electrode 30 is exemplified.

圧電素子2は、上記実施形態の積層構造体1を有している。従って、積層構造体1と同様の効果を奏する。また、積層構造体1は、圧電膜30の面内ばらつきを低減することができるので、圧電デバイスを簡便に作製することができる。例えば、インクジェットヘッドの場合は、圧電特性が各ヘッドでほぼ同様となるので、ノズルごとに印加電圧を指定する必要がなく、一括で同一電圧を印加すれば同一適量となる。従って、ICの設計や配線が簡便となり、低コスト化を実現しうる。また、その他の圧電薄膜デバイスの場合も、同様に特性ばらつきを抑えることができ、同様に駆動ICの冗長性の抑制や検査工程の簡略化によって低コスト化をはかることができる。
(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
The piezoelectric element 2 has the laminated structure 1 of the above embodiment. Therefore, the same effect as the laminated structure 1 is produced. Moreover, since the laminated structure 1 can reduce the in-plane variation of the piezoelectric film 30, a piezoelectric device can be easily manufactured. For example, in the case of an ink jet head, the piezoelectric characteristics are almost the same in each head, so that it is not necessary to specify an applied voltage for each nozzle, and the same amount can be obtained if the same voltage is applied all at once. Therefore, IC design and wiring are simplified, and cost reduction can be realized. In the case of other piezoelectric thin film devices, variation in characteristics can be similarly suppressed, and similarly, the cost can be reduced by suppressing the redundancy of the driving IC and simplifying the inspection process.
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

本発明にかかる実施例及び比較例について説明する。
(実施例1)
基板として、厚み625μm、φ150mmのSiウエハを用意した。
スパッタリング装置を用い、上記基板上の略全面に、基板温度200℃、真空度0.1PaのAr雰囲気の条件で、20nm厚のTiW層と150nm厚の(111)Ir下部電極とを順次成膜した。このとき、基板―ターゲット間距離は6cmとし、ターゲットパワー密度は4W/cmであった。
Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
Example 1
A Si wafer having a thickness of 625 μm and a diameter of 150 mm was prepared as a substrate.
Using a sputtering apparatus, a 20 nm-thick TiW layer and a 150 nm-thick (111) Ir lower electrode are sequentially formed on substantially the entire surface of the substrate under the conditions of an Ar atmosphere with a substrate temperature of 200 ° C. and a degree of vacuum of 0.1 Pa. did. At this time, the distance between the substrate and the target was 6 cm, and the target power density was 4 W / cm 2 .

続いて、基板温度450℃、真空度0.5Pa、成膜ガスをAr/O混合ガス(O体積分率2.6%)として、Pb1.3(Zr0.52Ti0.480.88Nb0.12ターゲットを用いてNbドープPZT膜(Nb−PZT)の成膜を開始した。成膜の最後の50nmに相当する時間の成膜ガスをAr/O混合ガス(O体積分率5.2%)とし、膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。 Subsequently, Pb 1.3 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) is assumed with a substrate temperature of 450 ° C., a vacuum degree of 0.5 Pa, and a deposition gas of Ar / O 2 mixed gas (O 2 volume fraction of 2.6%). ) The Nb-doped PZT film (Nb-PZT) was formed using a 0.88 Nb 0.12 O 3 target. A layered structure including an Nb-PZT film having a film thickness of about 3 μm is used as a film formation gas corresponding to the last 50 nm of film formation, which is an Ar / O 2 mixed gas (O 2 volume fraction 5.2%). Obtained.

(実施例2)
基板温度を425度とした以外は実施例1と同様にして膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。
(Example 2)
A laminated structure including an Nb—PZT film having a thickness of about 3 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature was changed to 425 ° C.

(実施例3)
Ar/O混合ガス(O体積分率5.2%)により成膜するNb―PZT膜の膜厚を100nmとした以外は実施例2と同様にして、膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。
(Example 3)
An Nb-PZT film having a film thickness of about 3 μm is formed in the same manner as in Example 2 except that the film thickness of the Nb-PZT film formed by Ar / O 2 mixed gas (O 2 volume fraction 5.2%) is set to 100 nm. A laminated structure provided with a film was obtained.

(実施例4)
Nb−PZTターゲットを、Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)Oターゲットを用いた以外は実施例1と同様にして、膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。
Example 4
A laminated structure including an Nb-PZT film having a thickness of about 3 μm in the same manner as in Example 1 except that a Pb 1.3 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 target was used as the Nb-PZT target. Got the body.

(比較例1)
成膜の最後の50nmに相当する時間の成膜ガスの酸素濃度を変更しなかった以外は実施例1と同様にして膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。
(Comparative Example 1)
A laminated structure including an Nb—PZT film having a film thickness of about 3 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the oxygen concentration of the film forming gas for the time corresponding to the last 50 nm of the film formation was not changed.

(比較例2)
成膜の最後の50nmに相当する時間の成膜ガスの酸素濃度を変更しなかった以外は実施例2と同様にして膜厚約3μmのNb−PZT膜を備えた積層構造体を得た。
(Comparative Example 2)
A laminated structure including an Nb—PZT film having a thickness of about 3 μm was obtained in the same manner as in Example 2 except that the oxygen concentration of the film forming gas for the time corresponding to the last 50 nm of the film formation was not changed.

(比較例3)
成膜の最後の50nmに相当する時間の成膜ガスの酸素濃度を変更しなかった以外は実施例3と同様にして膜厚約3μmのPZT膜を備えた積層構造体を得た。
(Comparative Example 3)
A laminated structure having a PZT film having a film thickness of about 3 μm was obtained in the same manner as in Example 3 except that the oxygen concentration of the film forming gas for the time corresponding to the last 50 nm of film formation was not changed.

(評価)
<組成分析>
各例の圧電膜(Nb−PZT膜またはPZT膜)について、表面の中央部と周縁部(中央部の測定点から50mm周縁よりの点)におけるXRF(蛍光X線 Panalytical製Axios)による組成分析、及び、エリプソメトリ(woollam社製M2000-U)による分光エリプソメトリ測定(入射角度70度)を実施した。
(Evaluation)
<Composition analysis>
For the piezoelectric film (Nb-PZT film or PZT film) of each example, composition analysis by XRF (fluorescence X-ray Axios manufactured by Panallytical) at the center and periphery of the surface (a point from the periphery of 50 mm from the measurement point of the center), And the spectroscopic ellipsometry measurement (incident angle 70 degree | times) by ellipsometry (M2000-U made from woollam) was implemented.

分光エリプソメトリを測定した結果、図4に示されるA,Bと同様に、表面の中央部と周縁部とで、波長400nm以上の測定結果はほとんど差がないのに対し、400nm未満では明瞭な差が存在するという結果が得られた。
中央部の屈折率nscと周縁部の屈折率nspについては、分光エリプソメトリスペクトルの波長300nmにおけるデータを、ガウシアン振動子を用いて吸収を仮定した誘電関数モデルを使用し、fittingを行って求めた。
As a result of measuring the spectroscopic ellipsometry, as in A and B shown in FIG. 4, there is almost no difference in the measurement result at the wavelength of 400 nm or more between the central portion and the peripheral portion of the surface. The result was that there was a difference.
For the refractive index n sc at the central portion and the refractive index n sp at the peripheral portion, fitting is performed using data at a wavelength of 300 nm of the spectroscopic ellipsometry spectrum using a dielectric function model assuming absorption using a Gaussian vibrator. Asked.

<圧電特性>
圧電定数の測定は、スパッタリング法によりPtを100nm上部電極として成膜して圧電素子とした後、その表面の中央部及び周縁部がそれぞれ中心となるように2mm×25mmの短冊状に切断してカンチレバーを作製して行った。測定法は”I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.”に記載の方法に従い、−10V±10Vの正弦波の印加電圧にて駆動した。
<Piezoelectric properties>
The piezoelectric constant is measured by sputtering to form a piezoelectric element by forming Pt as a 100 nm upper electrode, and then cutting it into a 2 mm × 25 mm strip so that the center and peripheral parts of the surface are centered. A cantilever was prepared and performed. The measurement was performed according to the method described in “I. Kanno et. Al. Sensor and Actuator A 107 (2003) 68.” with an applied voltage of a sine wave of −10 V ± 10 V.

表1に、各評価結果を示す。
Table 1 shows each evaluation result.

表1に示されるように、比較例1〜3では、XRFや波長600nmにおけるエリプソメトリによる屈折率の測定では表面の中央部と周縁部とでほとんど差が検出されない圧電膜においても、波長300nmにおけるエリプソメトリによる屈折率の測定では表面の中央部と周縁部とで明確に差が検出されており、圧電特性の低下率と相関している結果が得られた。
これにより、圧電膜に対して、波長300nmにおけるエリプソメトリによる屈折率の測定結果に基づいて、その圧電膜の面内特性のばらつきを見積もることができることが確かめられた。
As shown in Table 1, in Comparative Examples 1 to 3, even in a piezoelectric film in which almost no difference is detected between the central portion and the peripheral portion of the surface in the measurement of the refractive index by XRF or ellipsometry at a wavelength of 600 nm, at a wavelength of 300 nm. In the measurement of the refractive index by ellipsometry, a clear difference was detected between the central portion and the peripheral portion of the surface, and a result correlated with the rate of decrease in piezoelectric characteristics was obtained.
Thus, it was confirmed that the variation in the in-plane characteristics of the piezoelectric film can be estimated based on the refractive index measurement result by ellipsometry at a wavelength of 300 nm.

また、実施例1〜3のように、成膜ガスの酸素濃度を高めて成膜の最後の5%を成膜することにより、表面に欠陥の少ない、圧電特性の面内均一性の良好な圧電膜を形成可能であることが確認された。   Further, as in Examples 1 to 3, by increasing the oxygen concentration of the film forming gas and forming the last 5% of the film formation, the surface has few defects and good in-plane uniformity of piezoelectric characteristics. It was confirmed that a piezoelectric film can be formed.

本発明の積層構造体及び圧電素子は、振動式ジャイロセンサやエナジーハーベスト(発電素子)、これらのMEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイス等に好ましく利用できる。   The laminated structure and piezoelectric element of the present invention can be preferably used for a vibration gyro sensor, an energy harvest (power generation element), a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device, and the like.

1 積層構造体
2 圧電素子
10 基板
20 下部電極
30 圧電膜
30s 表面
30sc 中央部
30sp 周縁部
40 上部電極
sc 中央部の屈折率
sp 周縁部の屈折率
1 the refractive index of the refractive index n sp periphery of the laminated structure 2 a piezoelectric element 10 substrate 20 lower electrode 30 piezoelectric film 30s surface 30sc central portion 30sp periphery 40 upper electrode n sc central portion

Claims (9)

直径が100mm以上の基板と、該基板上に成膜されてなるペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜とを備えてなり、
該圧電膜の前記基板と反対側の表面において、該表面の中央部と周縁部との、エリプソメトリにより測定される波長400nm未満の特定波長における屈折率の差の絶対値が0.1以下である積層構造体。
A substrate having a diameter of 100 mm or more, and a piezoelectric film mainly composed of a perovskite oxide formed on the substrate,
On the surface of the piezoelectric film opposite to the substrate, the absolute value of the difference in refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm measured by ellipsometry between the central portion and the peripheral portion of the surface is 0.1 or less. A laminated structure.
前記屈折率の差の絶対値が0.01以下である請求項1記載の積層構造体。   The laminated structure according to claim 1, wherein an absolute value of the difference in refractive index is 0.01 or less. 前記基板がシリコン基板、シリコン化合物基板、または、シリコンとシリコン化合物との積層体基板である請求項1または2記載の積層構造体。   The laminated structure according to claim 1 or 2, wherein the substrate is a silicon substrate, a silicon compound substrate, or a laminate substrate of silicon and a silicon compound. 前記圧電膜が、下記一般式P1
一般式P1 (Pbxa-x)B
で表される少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物ペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであり、
前記一般式P1において、AはPb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むAサイト元素であり、BはTi,Zr,V,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むBサイトの元素であり、xは0<x<aである請求項1〜3いずれか1項記載の積層構造体。
The piezoelectric film has the following general formula P1
Formula P1 (Pb x A ax ) B b O c
The main component is at least one perovskite-type oxide perovskite-type oxide represented by:
In the general formula P1, A is an A site element containing at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and a lanthanide element, B is made of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al. The laminated structure according to any one of claims 1 to 3, which is an element of a B site containing at least one element selected from the group, and x is 0 <x <a.
前記圧電膜が、下記一般式P2
一般式P2 Pb(Zr,Ti,Mb−y−z)O
で表される少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物ペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであり、
前記一般式P2において、MがV,Nb,Ta,Sb, Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種のBサイト元素であり、yが0<y<bを満足し、zが0<z<bを満足し、0≦b−y−zである請求項1〜3いずれか1項記載の積層構造体。
The piezoelectric film has the following general formula P2
Formula P2 Pb a (Zr y, Ti z, M b-y-z) O c
The main component is at least one perovskite-type oxide perovskite-type oxide represented by:
In the general formula P2, M is V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf, and Al. At least one B-site element selected from the group consisting of: y satisfying 0 <y <b, z satisfying 0 <z <b, and 0 ≦ b−z. The laminated structure according to any one of 1 to 3.
請求項1〜5いずれか1項記載の積層構造体と、
該積層構造体の前記圧電膜に電圧を印加する一対の電極とを備えてなる圧電素子。
The laminated structure according to any one of claims 1 to 5,
A piezoelectric element comprising a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric film of the laminated structure.
直径が100mm以上の基板上にペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜を備えてなる積層構造体の製造方法であって、
前記圧電膜を前記基板上にスパッタリング法により成膜する圧電膜成膜工程を有し、
該圧電膜成膜工程は、ペロブスカイト相を形成しうる酸素濃度の成膜ガスを用いた前記スパッタリング法を実施する第1工程と、
パイロクロア相を形成しうる酸素濃度の成膜ガス用いた前記スパッタリング法を実施する第2工程とを順次実施するものであり、
前記第2工程の成膜時間は、前記圧電膜成膜工程の全成膜時間の5%未満である積層構造体の製造方法。
A method for producing a laminated structure comprising a piezoelectric film having a perovskite oxide as a main component on a substrate having a diameter of 100 mm or more,
A piezoelectric film forming step of forming the piezoelectric film on the substrate by a sputtering method;
The piezoelectric film forming step includes a first step of performing the sputtering method using a film forming gas having an oxygen concentration capable of forming a perovskite phase;
And sequentially performing the second step of performing the sputtering method using a film-forming gas having an oxygen concentration capable of forming a pyrochlore phase,
The method for producing a laminated structure, wherein the film formation time in the second step is less than 5% of the total film formation time in the piezoelectric film formation step.
前記第2工程の前記成膜時間が、膜厚10nm以上100nm以下の前記圧電膜を成膜しうる時間である請求項7記載の積層構造体の製造方法。   The method for manufacturing a laminated structure according to claim 7, wherein the film formation time in the second step is a time during which the piezoelectric film having a film thickness of 10 nm to 100 nm can be formed. 基板または基板上に1層以上の膜を備えてなる積層構造体の表面の面内組成のばらつきを判定する評価方法であって、
前記表面上の複数の測定点において、波長400nm未満の特定波長における屈折率をエリプソメトリにより測定し、全ての前記測定点における前記屈折率のばらつきにより前記ばらつきを判定する評価方法。
An evaluation method for determining variation in in-plane composition of a surface of a substrate or a laminated structure including one or more layers on the substrate,
An evaluation method in which at a plurality of measurement points on the surface, a refractive index at a specific wavelength of less than 400 nm is measured by ellipsometry, and the variation is determined by variation in the refractive index at all the measurement points.
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