JP2018019108A - 圧電薄膜付き積層基板および圧電薄膜素子 - Google Patents
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Abstract
Description
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板が提供される。
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
フッ化水素を4.32mol/L、フッ化アンモニウムを10.67mol/Lの濃度でそれぞれ含むフッ素系エッチング液を用いてエッチングした際のエッチングレートが0.005μm/hr以下であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が300以上1000以下である圧電薄膜付き積層基板が提供される。
下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜の少なくとも一部を露出させた状態で、前記積層基板に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記積層基板のうち前記圧電薄膜を除く部位の少なくとも一部をエッチングする工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜上に形成された絶縁膜に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記絶縁膜の一部をエッチングして前記圧電薄膜の表面を露出させる際に、前記圧電薄膜をエッチングストッパとして作用させることで前記絶縁膜のエッチングの終点を制御する工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態の積層基板10は、基板1と、基板1上に製膜された下部電極膜2と、下部電極膜2上に製膜された圧電薄膜3と、圧電薄膜3上に製膜された上部電極膜4と、を備えた積層体として構成されている。
この点については後述する。
図4に、本実施形態における圧電薄膜デバイス30の概略構成図を示す。圧電薄膜デバイス30は、上述の積層基板10を所定の形状に成形して得られる圧電薄膜素子20と、圧電薄膜素子20に接続される電圧検出手段11aまたは電圧印加手段11bと、を少なくとも備えて構成される。
上述したように、本実施形態における圧電薄膜3は、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の範囲内の濃度で含んでいる。
以下、これにより得られる効果について説明する。
本実施形態は上述の態様に限定されず、例えば以下のように変形することもできる。
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する結晶、すなわち、アルカリニオブ酸化物の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比c/aを、以下のように制御してもよい。
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する物質、すなわち、アルカリニオブ酸化物の組成比を、以下のように制御してもよい。
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3を構成する物質の組成比、および、面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比c/aを、それぞれ以下のように制御してもよい。
圧電薄膜3中へのMnやCuの添加を第1実施形態のように行いつつ、さらに、圧電薄膜3中における炭素(C)や水素(H)の濃度を、それぞれ以下のように制御してもよい。
図2に示すように、基板1として、その表面にSiO2以外の絶縁性材料からなる絶縁膜1dが形成されたSi基板1aを用いることもできる。この絶縁膜1d上に、密着層6、下部電極膜2、圧電薄膜3、上部電極膜4をこの順に製膜する場合であっても、圧電薄膜3の組成や結晶配向を上述の各実施形態のように制御することで、これらの実施形態等と同様の効果が得られるようになる。なお、圧電薄膜3と上部電極膜4との間に密着層を設けるようにしてもよい点は、第1実施形態と同様である。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述の第1〜第6実施形態は適宜組み合わせて実施することも可能である。
エッチング耐性の評価は、KNN薄膜の表面を露出させた状態で積層基板をBHF液中に浸漬し、KNN薄膜表面の侵食が開始されるまでの時間を測定することで行った。BHF液中におけるHF濃度は4.32mol/L、NH4F濃度は10.67mol/Lとした。
絶縁性の評価は、KNN薄膜上に上部電極膜として直径0.5mmの円形のPt膜を製膜し、下部電極膜と上部電極膜との間に電圧を印加できるようにし、これらの間に500μA/cm2のリーク電流が流れるまでの電圧値を測定することで行った。
比誘電率の評価は、KNN薄膜に対して1kHz、±1Vの交流電界を印加することで測定した。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板が提供される。
好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.2at%以上0.25%以下である。
また好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.5at%以上0.6at%以下である。
また好ましくは、付記1に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中における前記金属元素の濃度が0.4at%以上0.6at%以下である。
本発明の他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
フッ化水素を4.32mol/L、フッ化アンモニウムを10.67mol/Lの濃度でそれぞれ含むフッ素系エッチング液を用いてエッチングした際のエッチングレートが0.005μm/hr以下であり、
厚さ方向に25×106V/mの電界を印加した際のリーク電流密度が500μA/cm2以下(好ましくは300μA/cm2以下)であり、
周波数1kHzの条件下で測定した際の比誘電率が300以上1000以下である圧電薄膜付き積層基板が提供される。
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.01の範囲内にあり、
前記圧電薄膜の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たす。
また好ましくは、付記6に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜が、(K1−xNax)NbO3(0<x<1)の組成式で表される層を複数有し、
これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が、0.98≦c/a≦1.01の範囲にある。
また好ましくは、付記6又は7に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜に引っ張り応力が生じ、前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.980≦c/a≦0.993の範囲内にある。
また好ましくは、付記8に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、前記圧電薄膜を構成する結晶よりも格子定数の小さい結晶からなる応力緩和層上に設けられる。
また好ましくは、付記6又は7に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜に圧縮応力が生じ、前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が1.004≦c/a≦1.010の範囲内にある。
また好ましくは、付記10に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、前記圧電薄膜を構成する結晶よりも格子定数の大きい結晶からなる応力緩和層上に設けられる。
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)yNbO3で表され、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
圧電定数の絶対値が|d31|が90pm/V以上である。
また好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)yNbO3で表され、0.4≦x≦0.7かつ0.75≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
圧電定数のの絶対値が|d31|が100pm/V以上である。
好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)yNbO3で表され、0.4≦x≦0.7かつ0.77≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電薄膜を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.008の範囲内にある。
好ましくは、付記14に記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜が、(K1−xNax)NbO3(0<x<1)の組成式で表される層を複数有し、
これら複数の層のうち、少なくとも最も厚い層を構成する結晶(アルカリニオブ酸化物)の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が、0.98≦c/a≦1.008の範囲にある。
好ましくは、付記1乃至5のいずれかに記載の圧電薄膜付き積層基板であって、
前記圧電薄膜中のC濃度が2×1019cm−3以下、または、H濃度が4×1019cm−3以下である。より好ましくは、前記圧電薄膜中のC濃度が2×1019cm−3以下、かつ、H濃度が4×1019cm−3以下である。
本発明のさらに他の態様によれば、
下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板と、前記基板上に製膜された下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を、0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜の少なくとも一部を露出させた状態で、(前記圧電薄膜の露出面を覆う保護膜を設けることなく)前記積層基板に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記積層基板のうち前記圧電薄膜を除く部位の少なくとも一部をエッチングする工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板を用意する工程と、
前記圧電薄膜上に形成された絶縁膜に対してフッ素系エッチング液を供給し、前記絶縁膜の一部をエッチングして前記圧電薄膜の表面を露出させる際に、前記圧電薄膜をエッチングストッパとして作用させることで前記絶縁膜のエッチングの終点を制御する工程と、
を有する圧電薄膜素子の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表される焼結体からなり、MnおよびCuからなる群より選択される金属元素を0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含むスパッタリングターゲット材が提供される。
好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.2at%以上0.25%以下である。
また好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.5at%以上0.6at%以下である。
また好ましくは、付記21に記載のスパッタリングターゲット材であって、
前記焼結体中における前記金属元素の濃度が0.4at%以上0.6at%以下である。
2 下部電極膜
3 圧電薄膜
10 積層基板
Claims (13)
- 基板と、前記基板上に製膜された電極膜と、前記電極膜上に製膜された圧電薄膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
Cuを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜付き積層基板。 - 前記圧電薄膜は、Mnを0.2at%以上0.6at%以下の濃度でさらに含む請求項1に記載の圧電薄膜付き積層基板。
- 前記圧電薄膜中におけるCuおよびMnの合計濃度が0.6at%以下である請求項2に記載の圧電薄膜付き積層基板。
- 前記圧電薄膜は、Mnを実質的に含まない請求項1に記載の圧電薄膜付き積層基板。
- 前記圧電薄膜を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.01の範囲内にあり、
前記圧電薄膜の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たす請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 - 前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)yNbO3で表され、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.94の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電薄膜の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たし、
前記圧電薄膜に対して厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度が0.1μA/cm2以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 - 前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)yNbO3で表され、0.4≦x≦0.7かつ0.7≦y≦0.90の範囲であるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物からなり、
前記圧電薄膜を構成する結晶の面外方向格子定数cと面内方向格子定数aとの比が0.98≦c/a≦1.008の範囲内にあり、
前記圧電薄膜の圧電定数の絶対値が|d31|≧90pm/Vを満たし、
前記圧電薄膜に対して厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度が0.1μA/cm2以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 - 前記圧電薄膜中のC濃度が2×1019cm−3以下であり、
前記圧電薄膜に対して厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度が0.1μA/cm2以下であり、
前記圧電薄膜の誘電損失tanδが0.1以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 - 前記圧電薄膜中のH濃度が4×1019cm−3以下であり、
前記圧電薄膜に対して厚さ方向に50kV/cmの電界を印加した際に流れるリーク電流密度が0.1μA/cm2以下であり、
前記圧電薄膜の誘電損失tanδが0.1以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電薄膜付き積層基板。 - 下部電極膜と、前記下部電極膜上に製膜された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に製膜された上部電極膜と、を備え、
前記圧電薄膜は、
組成式(K1−xNax)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造のアルカリニオブ酸化物が(001)面方位に優先配向してなり、
Cuを0.2at%以上0.6at%以下の濃度で含む圧電薄膜素子。 - 前記圧電薄膜は、Mnを0.2at%以上0.6at%以下の濃度でさらに含む請求項10に圧電薄膜素子。
- 前記圧電薄膜中におけるCuおよびMnの合計濃度が0.6at%以下である請求項10又は11に記載の圧電薄膜素子。
- 前記圧電薄膜は、Mnを実質的に含まない請求項10に記載の圧電薄膜素子。
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