JP2019057699A - Piezoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a piezoelectric element having a ZnO based piezoelectric material film without substantially including alkali metal, such as lithium and excellent in piezoelectric properties, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: The piezoelectric element comprises a Ca containing ZnO based piezoelectric material film and first and second electrodes sandwiching the ZnO based piezoelectric material film and facing each other. The ZnO based piezoelectric material film has a first region in which a content molar ratio R of a Ca content to the total of the Ca content and a Zn content increases in the thickness direction of the ZnO based piezoelectric material film toward the second electrode from the first electrode.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、圧電素子、及び、圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element and a method for manufacturing the piezoelectric element.

振動、歪み、及び、角速度等をセンシングする力学センサの需要が高まっている。なかでも、小型化、及び、IC(integrated circuit)とのモノリシック化が容易なことから、圧電体膜と、圧電体膜を挟んで対向する一対の電極とを有する圧電素子の開発が進められてきている。特に、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)デバイス等に用いられるZnOを主成分とするZnO系圧電体膜を有する圧電素子について、圧電特性を向上するための検討が進められている。
このような技術として、特許文献1には、「基材上に形成されたウルツ鉱型結晶膜であり、上記基材面に対して垂直方向に二つ以上の粒子が充填及び堆積し、上記粒子が互いに結合してなる結合層を含む膜構造を有するウルツ鉱型結晶膜であって、上記粒子は、アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素からなる元素群のうちの少なくとも一つの元素がドープされているウルツ鉱型結晶構造を有する化合物を含み、上記ウルツ鉱型結晶構造が上記基材面に対して垂直方向に[000−1]方向又は[0001]方向へ配向し、[000−1]方向又は[0001]方向への極性分布割合が72%以上であることを特徴とするウルツ鉱型結晶膜。」が記載され、アルカリ金属元素として、Liを含有する圧電体膜が開示されている。
There is an increasing demand for mechanical sensors that sense vibration, strain, angular velocity, and the like. In particular, the development of a piezoelectric element having a piezoelectric film and a pair of electrodes facing each other with the piezoelectric film interposed therebetween has been promoted because it is easy to downsize and monolithically integrate with an IC (integrated circuit). ing. In particular, studies are being made to improve piezoelectric characteristics of a piezoelectric element having a ZnO-based piezoelectric film mainly composed of ZnO used in an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) device or the like.
As such a technique, Patent Document 1 discloses that “a wurtzite type crystal film formed on a substrate, in which two or more particles are filled and deposited in a direction perpendicular to the substrate surface, A wurtzite crystal film having a film structure including a bonding layer in which particles are bonded to each other, wherein the particles are doped with at least one element of an element group consisting of an alkali metal element and an alkaline earth metal element. Wherein the wurtzite crystal structure is oriented in the [000-1] direction or the [0001] direction in a direction perpendicular to the substrate surface, and [000-1] The wurtzite crystal film is characterized in that the polarity distribution ratio in the [0001] direction or the [0001] direction is 72% or more, and a piezoelectric film containing Li as an alkali metal element is disclosed. Yes.

特開2013−107782号公報JP 2013-107782 A

本発明者らは、特許文献1に開示されたようなアルカリ金属(具体的にはLi)を含有するZnO系圧電体膜を有する圧電素子は、半導体又は電気回路に適用することが難しいことを知見している。上記ZnO系圧電体膜をアルカリ金属は半導体又は電気回路に適用する場合、アルカリ金属が半導体又は電気回路中で拡散してしまい、不良が発生することがあるからである。   The present inventors have found that a piezoelectric element having a ZnO-based piezoelectric film containing an alkali metal (specifically, Li) as disclosed in Patent Document 1 is difficult to apply to a semiconductor or an electric circuit. I know. This is because when the alkali metal is applied to a semiconductor or an electric circuit for the ZnO-based piezoelectric film, the alkali metal diffuses in the semiconductor or the electric circuit, and a defect may occur.

そこで、本発明は、リチウム等のアルカリ金属を実質的に含有しないZnO系圧電体膜を有し、優れた圧電特性を有する圧電素子の提供を課題とする。また、本発明は、圧電素子の製造方法も課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element having a ZnO-based piezoelectric film substantially free of alkali metal such as lithium and having excellent piezoelectric characteristics. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve the above-described problems, the present inventors have found that the above-described problems can be achieved with the following configuration.

[1] Caを含有するZnO系圧電体膜と、ZnO系圧電体膜を挟んで対向する、第1電極及び第2電極と、を有し、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、Caの含有量とZnの含有量との和に対するCaの含有量の含有モル比Rが増加する第1領域を、ZnO系圧電体膜が有する、圧電素子。
[2] ZnO系圧電体膜が、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に向かって、第1領域における含有モル比Rの最大値を略一定に維持する、第2領域を有する、[1]に記載の圧電素子。
[3] ZnO系圧電体膜において、含有モル比Rの平均値が、0.12〜0.50である、[1]又は[2]に記載の圧電素子。
[4] 第1領域における含有モル比Rの最小値と最大値との差が、0.06〜0.50である、[1]〜[3]のいずれかに記載の圧電素子。
[5] 第1電極のZnO系圧電体膜側とは反対側の表面上、又は、第2電極のZnO系圧電体膜側とは反対側の表面上に、更に、基板を有する、[1]〜[4]のいずれかに記載の圧電素子。
[6] [1]〜[5]のいずれかに記載の圧電素子の製造方法であって、第1電極上にZnO系圧電体膜を形成する工程Aと、形成したZnO系圧電体膜上に第2電極を形成する工程Bと、を有し、工程Aが、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、Caの含有量とZnの含有量の和に対するCaの含有量の含有モル比Rが増加する第1領域を形成する工程を有する、圧電素子の製造方法。
[7] 工程Aにおいて、第1領域が、少なくともCaを含有するターゲットに対する印加電力を増加させるスパッタリング法により形成される、[6]に記載の圧電素子の製造方法。
[8] 工程Aが、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、第1領域における含有モル比Rの最大値を略一定に維持する、第2領域を形成する工程を含む、[6]又は[7]に記載の圧電素子の製造方法。
[9] 第2領域が、少なくともCaを含有するターゲットに対する印加電力を略一定とするスパッタリング法により形成される、[8]に記載の圧電素子の製造方法。
[10] 更に、工程Aの前に、基板上に第1電極を形成する工程を有するか、又は、工程Bの後に、第1電極、若しくは、第2電極のZnO系圧電体膜とは反対側の表面上に基板を貼付する工程を有する、[6]〜[9]のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
[1] A ZnO-based piezoelectric film that includes a ZnO-based piezoelectric film containing Ca and a first electrode and a second electrode that face each other with the ZnO-based piezoelectric film interposed therebetween, and that is directed from the first electrode to the second electrode. A piezoelectric element in which a ZnO-based piezoelectric film has a first region in which a content molar ratio R of Ca content to a sum of Ca content and Zn content increases along the thickness direction of the body film.
[2] The ZnO-based piezoelectric film maintains the maximum content molar ratio R in the first region substantially constant in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The piezoelectric element according to [1], which has two regions.
[3] The piezoelectric element according to [1] or [2], wherein the ZnO-based piezoelectric film has an average content molar ratio R of 0.12 to 0.50.
[4] The piezoelectric element according to any one of [1] to [3], wherein the difference between the minimum value and the maximum value of the molar content ratio R in the first region is 0.06 to 0.50.
[5] A substrate is further provided on the surface opposite to the ZnO-based piezoelectric film side of the first electrode or on the surface opposite to the ZnO-based piezoelectric film side of the second electrode. ] The piezoelectric element in any one of [4].
[6] The method for manufacturing a piezoelectric element according to any one of [1] to [5], wherein a step A of forming a ZnO-based piezoelectric film on the first electrode and a ZnO-based piezoelectric film formed A step B of forming a second electrode, and the step A includes a Ca content and a Zn content along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The manufacturing method of a piezoelectric element which has the process of forming the 1st area | region where the content molar ratio R of content of Ca with respect to the sum increases.
[7] The method for manufacturing a piezoelectric element according to [6], wherein in step A, the first region is formed by a sputtering method that increases an applied power to a target containing at least Ca.
[8] The second region in which step A maintains the maximum value of the content molar ratio R in the first region substantially constant along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The method for manufacturing a piezoelectric element according to [6] or [7], including a forming step.
[9] The method for manufacturing a piezoelectric element according to [8], wherein the second region is formed by a sputtering method in which an applied power to a target containing at least Ca is substantially constant.
[10] Further, the method includes a step of forming a first electrode on the substrate before the step A, or after the step B, opposite to the ZnO-based piezoelectric film of the first electrode or the second electrode. The method for manufacturing a piezoelectric element according to any one of [6] to [9], including a step of attaching a substrate on the surface on the side.

本発明によれば、リチウム等のアルカリ金属を実質的に含有しないZnO系圧電体膜を有し、優れた圧電特性を有する圧電素子を提供できる。また、本発明によれば、圧電素子の製造方法も提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric element which has the ZnO-type piezoelectric material film | membrane which does not contain alkali metals, such as lithium substantially, and has the outstanding piezoelectric characteristic can be provided. According to the present invention, a method for manufacturing a piezoelectric element can also be provided.

本発明の実施形態に係る圧電素子の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る圧電素子が有するZnO系圧電体膜における含有モル比RとZnO系圧電体膜の厚みとの関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between the content molar ratio R in the ZnO-type piezoelectric material film which the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention has, and the thickness of a ZnO-type piezoelectric material film.

以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[圧電素子]
図1は、本発明の実施形態に係る圧電素子の一例(以下「本圧電素子」ともいう。)の模式断面図を表す。圧電素子10は、基板11、第1電極12、ZnO系圧電体膜13、及び、第2電極14を備え、第1電極12及び第2電極14によって、ZnO系圧電体膜13に電界を印加できる。なお、本圧電素子は、第1電極12のZnO系圧電体膜13とは反対側の表面に基板11を有しているが、本発明の実施形態に係る圧電素子は、上記に制限されない。圧電素子は、第2電極14のZnO系圧電体膜13とは反対側の表面に基板11を有していてもよいし、基板を有さなくてもよい。
なお、本明細書において、ZnO系圧電体膜とは、金属原子のうちZnを主成分とする金属酸化物からなる圧電体膜である。主成分とは、全金属原子に対して、Znを少なくとも50モル%以上含むことを意図する。
[Piezoelectric element]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a piezoelectric element (hereinafter also referred to as “the present piezoelectric element”) according to an embodiment of the present invention. The piezoelectric element 10 includes a substrate 11, a first electrode 12, a ZnO-based piezoelectric film 13, and a second electrode 14, and an electric field is applied to the ZnO-based piezoelectric film 13 by the first electrode 12 and the second electrode 14. it can. In addition, although this piezoelectric element has the board | substrate 11 in the surface on the opposite side to the ZnO-type piezoelectric material film 13 of the 1st electrode 12, the piezoelectric element which concerns on embodiment of this invention is not restrict | limited above. The piezoelectric element may have the substrate 11 on the surface opposite to the ZnO-based piezoelectric film 13 of the second electrode 14 or may not have the substrate.
In this specification, the ZnO-based piezoelectric film is a piezoelectric film made of a metal oxide containing Zn as a main component among metal atoms. The main component is intended to include at least 50 mol% of Zn with respect to all metal atoms.

〔ZnO系圧電体膜〕
上記圧電素子が有するZnO系圧電体膜(以下「本圧電体膜」ともいう。)は、Caを含有し、本圧電体膜中には、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、Caの含有量とZnの含有量との和に対するCaの含有量の含有モル比Rが増加する第1領域が存在する。
なお、本明細書においては、「増加」とは、ZnO系圧電体膜中における含有モル比Rの最小値から、ZnO系圧電体膜中における含有モル比Rの最大値へと、含有モル比Rが変化することを意味する。すなわち、第1領域における含有モル比Rの最小値は、ZnO系圧電体膜中における含有モル比Rの最小値に該当し、第1領域における含有モル比Rの最大値は、ZnO系圧電体膜中における含有モル比Rの最大値に該当する。
[ZnO-based piezoelectric film]
A ZnO-based piezoelectric film (hereinafter also referred to as “the present piezoelectric film”) included in the piezoelectric element contains Ca, and in the present piezoelectric film, a ZnO-based piezoelectric body directed from the first electrode to the second electrode. A first region in which the content molar ratio R of the Ca content to the sum of the Ca content and the Zn content increases along the thickness direction of the film.
In the present specification, “increase” means the content molar ratio from the minimum value of the content molar ratio R in the ZnO-based piezoelectric film to the maximum value of the content molar ratio R in the ZnO-based piezoelectric film. It means that R changes. That is, the minimum value of the content molar ratio R in the first region corresponds to the minimum value of the content molar ratio R in the ZnO-based piezoelectric film, and the maximum value of the content molar ratio R in the first region is the ZnO-based piezoelectric material. This corresponds to the maximum value of the molar ratio R contained in the film.

また、第1領域においては、含有モル比Rが増加していればよく、部分的に含有モル比Rが一定となる領域があってもよい。また、第1領域としては、上記含有モル比Rが減少することなく、かつ、一定値を維持することなく、徐々に増加する形態であってもよい。つまり、含有モル比Rが、漸増する形態であってもよい。   Moreover, in the 1st area | region, the content molar ratio R should just increase, and the area | region where the content molar ratio R becomes partially constant may exist. In addition, the first region may have a form in which the content molar ratio R does not decrease and gradually increases without maintaining a constant value. That is, the content molar ratio R may gradually increase.

より簡便に第1領域を形成できる点で、第1領域は、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、含有モル比Rが階段状(段階的)に増加するのが好ましい。
ここで、含有モル比Rは、ZnO系圧電体膜中におけるCaの含有量(MCa)とZnの含有量(MZn)との和に対する、Caの含有量の含有モル比R(MCa/(MCa+MZn)として計算される。含有モル比Rは、後述するスパッタリング法によりZnO系圧電体膜を形成する場合には、典型的には、ZnO及び/又はCaOターゲットに対する印加電力の変化から推測できる。また、含有モル比Rは、以下の方法により測定できる。
Since the first region can be more easily formed, the first region has a stepped (stepwise) content molar ratio R along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. It is preferable to increase.
Here, the content molar ratio R is the content molar ratio R of the Ca content relative to the sum of the Ca content (M Ca ) and the Zn content (M Zn ) in the ZnO-based piezoelectric film (M Ca / (M Ca + M Zn) is calculated as. molar ratio R, in the case of forming the ZnO-based piezoelectric film by sputtering, which will be described later, typically, the applied power to the ZnO and / or CaO target The molar ratio R can be measured by the following method.

ZnO系圧電体膜全体に係る含有モル比Rは、言いかえれば、ZnO系圧電体膜における含有モル比Rの平均値は、エネルギー分散型蛍光X線分析により測定できる。また、上記以外にも、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析、又は、波長分散型蛍光X線分析によって測定してもよい。
また、ZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って含有モル比Rが変化する様子は、ZnO系圧電体膜の厚み(深さ)方向に分析が可能となる任意の方法が適用可能である。
例えば、深さ方向にエッチングをしながら分析する手法として、XPS(X線光電子分光法)、SIMS(二次イオン質量分析法)、オージェ電子分光法、及び、GD−MS(グロー放電質量分析法)が挙げられる。また、ZnO系圧電体膜の厚みが、数百nm程度の場合は、RBS(ラザフォード後方散乱分析法)も使用できる。
In other words, the content molar ratio R of the entire ZnO-based piezoelectric film can be measured by an energy dispersive X-ray fluorescence analysis. In addition to the above, measurement may be performed by high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy or wavelength dispersive X-ray fluorescence analysis.
In addition, the manner in which the content molar ratio R changes along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film can be applied by any method that enables analysis in the thickness (depth) direction of the ZnO-based piezoelectric film.
For example, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), SIMS (secondary ion mass spectrometry), Auger electron spectroscopy, and GD-MS (glow discharge mass spectrometry) are methods for analysis while etching in the depth direction. ). Further, when the thickness of the ZnO-based piezoelectric film is about several hundred nm, RBS (Rutherford backscattering analysis) can be used.

例えば、SIMS(二次イオン質量分析法)のように、信号強度のみで得られる分析法の場合は、信号チャートの膜厚方向の積分値が、膜全体を測定した測定値と合致するように比例係数を定める事で含有モル比Rを定める事もできる。また、深さ(ZnO系圧電体膜の厚み)方向の分析値と膜全体の含有モル比Rの平均値との間に大きな乖離がある場合は分析法に誤りがあると考えられるが、絶対値に差がある場合があり得る。この場合は、膜全体の平均値の計測法の値を採用し、前述と同じように、比例係数を定めて分析結果を補完して標記する。   For example, in the case of an analysis method obtained only by signal intensity, such as SIMS (secondary ion mass spectrometry), the integral value in the film thickness direction of the signal chart matches the measured value obtained by measuring the entire film. The content molar ratio R can also be determined by determining the proportionality coefficient. Also, if there is a large divergence between the analysis value in the depth (ZnO-based piezoelectric film thickness) direction and the average value of the molar ratio R of the entire film, it is considered that there is an error in the analysis method. There may be differences in values. In this case, the value of the measurement method of the average value of the whole film is adopted, and the proportionality coefficient is determined and the analysis result is complemented and marked as described above.

本発明者らは、ウルツ鉱型結晶構造を有するZnOにおいて、Znの一部を各種の2価のカチオンで置換した場合の圧電特性がどのように変化するかを検討したところ、ZnOにおいて、所定量のZnをCaで置換した場合、ZnOのZnを他のアルカリ土類金属(Mg、Sr、Ba、又は、Cd)で置換した場合と比較して、圧電特性が向上することを見出した。なかでも、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って含有モル比Rが増加する第1領域を有するZnO系圧電体膜を有する圧電素子が、特に優れた圧電特性を有することを見出し、本発明を完成させた。   The inventors of the present invention have investigated how the piezoelectric characteristics of ZnO having a wurtzite crystal structure change when a part of Zn is substituted with various divalent cations. It has been found that when a certain amount of Zn is substituted with Ca, the piezoelectric characteristics are improved as compared with the case where Zn of ZnO is substituted with other alkaline earth metal (Mg, Sr, Ba, or Cd). In particular, a piezoelectric element having a ZnO-based piezoelectric film having a first region in which the content molar ratio R increases along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode to the second electrode is a particularly excellent piezoelectric element. The present invention was completed by finding that it has characteristics.

上記ZnO系圧電体膜を有する圧電素子が、特に優れた圧電特性を有する理由は必ずしも明らかではないが、本発明者らは以下のとおり推測している。なお、下記の推測により本発明の効果が得られる機序が限定されるものではない。   The reason why the piezoelectric element having the ZnO-based piezoelectric film has particularly excellent piezoelectric characteristics is not necessarily clear, but the present inventors presume as follows. In addition, the mechanism by which the effect of this invention is acquired by the following estimation is not limited.

図2は、図1におけるZnO系圧電体膜13の第1電極12から第2電極14に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向Lに沿って、含有モル比Rが変化する様子を表す概念図の一例である。図2において、横軸XがZnO系圧電体膜の厚み(μm)を表し、縦軸Yが、上記含有モル比Rを表す。横軸Xの正の方向は、図1の方向Lに対応している。
図2に表すとおり、上記ZnO系圧電体膜は、第1電極12から第2電極14に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向Lに沿って、含有モル比Rが増加する第1領域(図2中のA1で示した部分)を有する。
なお、第1領域は、図2に示すように、ZnO系圧電体膜の第1電極12側の表面から始まることが好ましい。言い換えれば、ZnO系圧電体膜の第1電極12側の表面が含有モル比Rの最小値を示し、ZnO系圧電体膜の第1電極12側の表面から第1領域が存在することが好ましい。ただし、第1領域の存在する位置は、図2に示す態様に制限されず、ZnO系圧電体膜中の内部に存在していてもよい。
なお、本発明の実施形態に係る圧電素子が有するZnO系圧電体膜としては上記に制限されず、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向Lに沿って、ZnO系圧電体膜の厚み方向の全部が第1領域であってもよい。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a change in the content molar ratio R along the thickness direction L of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode 12 to the second electrode 14 of the ZnO-based piezoelectric film 13 in FIG. It is an example. 2, the horizontal axis X represents the thickness (μm) of the ZnO-based piezoelectric film, and the vertical axis Y represents the content molar ratio R. The positive direction of the horizontal axis X corresponds to the direction L in FIG.
As shown in FIG. 2, the ZnO-based piezoelectric film has a first region in which the content molar ratio R increases along the thickness direction L of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode 12 toward the second electrode 14 (FIG. 2). 2).
The first region preferably starts from the surface of the ZnO-based piezoelectric film on the first electrode 12 side, as shown in FIG. In other words, it is preferable that the surface of the ZnO-based piezoelectric film on the first electrode 12 side shows the minimum content molar ratio R, and the first region exists from the surface of the ZnO-based piezoelectric film on the first electrode 12 side. . However, the position where the first region exists is not limited to the mode shown in FIG. 2 and may exist inside the ZnO-based piezoelectric film.
Note that the ZnO-based piezoelectric film included in the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention is not limited to the above, and the ZnO-based piezoelectric film extends along the thickness direction L of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode to the second electrode. The entire thickness direction of the piezoelectric film may be the first region.

本圧電体膜において、Caは、典型的には、少なくとも一部がZnOの結晶格子に取り込まれている(ZnOにおけるZnの一部Caにより置換されている)ことが多い。このような場合、置換後の結晶は、置換前の結晶と比較するとZnの少なくとも一部がCaにより置換されている又はZnO結晶格子の間にCa(又はCaO)が混在するため、純粋なZnO結晶と比較すると格子定数等が異なることが推測される。また、Caの含有量によっても、上記の理由から格子定数等が異なることが推測される。このような格子定数等の異なる結晶を厚み方向に積層し、ZnO系圧電体膜を形成した場合、格子定数等の違いに起因する歪みが原因となり、結晶の配向状態に乱れが生じやすく、結果として所望の圧電特性を有する圧電素子が得られない場合があるものと推測される。   In the present piezoelectric film, Ca is typically at least partly taken into the crystal lattice of ZnO (part of Zn in ZnO is replaced by Ca). In such a case, the crystal after substitution is pure ZnO because at least a part of Zn is substituted by Ca or Ca (or CaO) is mixed between ZnO crystal lattices as compared with the crystal before substitution. It is estimated that the lattice constant and the like are different from those of the crystal. In addition, it is presumed that the lattice constant and the like differ depending on the Ca content for the above reason. When such crystals with different lattice constants are stacked in the thickness direction to form a ZnO-based piezoelectric film, distortion due to the difference in lattice constants and the like is the cause, and the orientation state of the crystals is likely to be disturbed. It is assumed that a piezoelectric element having desired piezoelectric characteristics may not be obtained.

一方、本圧電体膜は、第1領域を有するため、結晶の格子定数等の変化が、ZnO系圧電体膜の厚み方向に向かって緩やかになっている。そのため、膜中に歪みが発生しにくく、優れた配向性を有するZnO系圧電体膜が得られたものと推測される。その結果として、本圧電素子は優れた圧電特性を有するものと推測される。   On the other hand, since this piezoelectric film has the first region, changes in the crystal lattice constant and the like are gentle in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film. For this reason, it is presumed that a ZnO-based piezoelectric film having excellent orientation was obtained with less distortion in the film. As a result, this piezoelectric element is presumed to have excellent piezoelectric characteristics.

第1領域の厚みとしては特に制限されない。ZnO系圧電体膜の厚みに方向に対する、含有モル比Rの変化率(増加率又は減少率)、及び、第1領域における最終的な含有モル比Rの大きさに応じて、適宜選択できる。   The thickness of the first region is not particularly limited. It can be appropriately selected according to the change rate (increase rate or decrease rate) of the content molar ratio R with respect to the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film and the final content molar ratio R in the first region.

第1領域は、本圧電体膜において、本圧電体膜の表面に対して略平行な層状の領域として存在することが好ましい。第1領域が本圧電体膜中において層状に存在すると、圧電体膜における面内での圧電定数のばらつきがより小さくなりやすい。   The first region is preferably present in the piezoelectric film as a layered region substantially parallel to the surface of the piezoelectric film. If the first region is present in a layered manner in the piezoelectric film, the variation in the piezoelectric constant within the surface of the piezoelectric film tends to be smaller.

本圧電体膜は、第2領域を有する。第2領域は、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に向かって、第1領域における含有モル比Rの最大値を略一定に維持する領域である。第2領域は、本圧電体膜において、本圧電体膜の表面に対して略平行な層状の領域として存在することが好ましい。第2領域が本圧電体膜中において層状に存在すると、圧電体膜における面内での圧電定数のばらつきがより小さくなりやすい。
なお、第2領域は、第1領域と隣接して存在することが好ましい。つまり、第2領域は、第1領域の最大値を示す位置から、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に向かって存在することが好ましい。
The piezoelectric film has a second region. The second region is a region in which the maximum value of the content molar ratio R in the first region is maintained substantially constant in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The second region is preferably present in the piezoelectric film as a layered region substantially parallel to the surface of the piezoelectric film. If the second region is present in a layered manner in the piezoelectric film, the variation in the piezoelectric constant within the surface of the piezoelectric film tends to be smaller.
The second region is preferably present adjacent to the first region. That is, it is preferable that the second region exists in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode from the position where the maximum value of the first region is shown.

上記領域を有する本圧電体膜は、膜全体としての含有モル比R(言い換えれば、含有モル比Rの平均値)を所望の範囲に制御しやすい。つまり、第2領域の厚みを調整することによって、ZnO系圧電体膜の全体としての含有モル比Rの平均値を所望の範囲により容易に制御できる。なお、本圧電体膜は第2領域を有しているが、本発明の実施形態に係る圧電素子、及び、圧電体膜は第2領域を有していなくてもよい。   The present piezoelectric film having the above-described region is easy to control the content molar ratio R (in other words, the average value of the content molar ratio R) as a whole within a desired range. That is, by adjusting the thickness of the second region, the average content molar ratio R of the ZnO-based piezoelectric film can be easily controlled within a desired range. Although the piezoelectric film has the second region, the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention and the piezoelectric film may not have the second region.

第2領域では、第1領域における含有モル比Rの最大値が略一定に維持される。
略一定とは、第2領域の任意の点における含有モル比Rが、第1領域における含有モル比Rの最大値Rに対して、80〜100%であることを意味し、90〜100%であることが好ましい。
In the second region, the maximum value of the content molar ratio R in the first region is maintained substantially constant.
“Substantially constant” means that the contained molar ratio R at an arbitrary point in the second region is 80 to 100% with respect to the maximum value R of the contained molar ratio R in the first region, and is 90 to 100%. It is preferable that

第2領域の厚みとしては特に制限されず、圧電体膜中の含有モル比Rの平均値、及び、圧電体膜の厚みに応じて適宜選択できる。
なお、圧電素子の性能がより優れる点で、第2領域は、第1領域の最大値を示す位置から、ZnO系圧電体膜の第2電極側の表面まで存在することが好ましい。
また、第1領域の厚みに対する第2領域の厚みの比(第2領域の厚み/第1領域の厚み)は特に制限されないが、圧電素子の性能がより優れる点で、1.0以上が好ましく、5.0以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、100以下が挙げられる。
第2領域の厚み/第1領域の厚みが1.0以上だと、得られる圧電素子はより優れた圧電特性を有し、第2領域の厚み/第1領域の厚みが100以下だと、第1領域の厚みが十分に厚く、ZnO系圧電体膜に生ずる膜応力が小さくなりやすいため、結果としてZnO系圧電体膜にクラック等がより生じにくい。
The thickness of the second region is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the average value of the molar ratio R contained in the piezoelectric film and the thickness of the piezoelectric film.
In addition, it is preferable that a 2nd area | region exists from the position which shows the maximum value of a 1st area | region to the surface by the side of the 2nd electrode of a ZnO type piezoelectric material film from the point which the performance of a piezoelectric element is more excellent.
Further, the ratio of the thickness of the second region to the thickness of the first region (thickness of the second region / thickness of the first region) is not particularly limited, but is preferably 1.0 or more in terms of more excellent performance of the piezoelectric element. 5.0 or more is more preferable. Although an upper limit is not restrict | limited in particular, 100 or less is mentioned.
When the thickness of the second region / the thickness of the first region is 1.0 or more, the obtained piezoelectric element has more excellent piezoelectric characteristics, and when the thickness of the second region / the thickness of the first region is 100 or less, Since the thickness of the first region is sufficiently thick and the film stress generated in the ZnO-based piezoelectric film tends to be small, as a result, cracks and the like are less likely to occur in the ZnO-based piezoelectric film.

圧電体膜中の含有モル比Rの平均値としては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有する圧電素子が得られる点で、0.12〜0.50が好ましい。
含有モル比Rの平均値が0.12〜0.50であると、優れた圧電特性を有する圧電素子が得られる。含有モル比Rの平均値は、エネルギー分散型蛍光X線分析法により測定でき、詳細は、実施例に記載したとおりである。
また、第1領域における含有モル比Rの最小値と最大値との差としては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有する圧電素子が得られる点で、0.06〜0.50が好ましく、0.12〜0.50がより好ましい。
Although it does not restrict | limit especially as an average value of content molar ratio R in a piezoelectric film, 0.12-0.50 is preferable at the point from which the piezoelectric element which has the more excellent effect of this invention is obtained.
When the average content molar ratio R is 0.12 to 0.50, a piezoelectric element having excellent piezoelectric characteristics can be obtained. The average value of the content molar ratio R can be measured by energy dispersive X-ray fluorescence analysis, and details are as described in the examples.
Further, the difference between the minimum value and the maximum value of the content molar ratio R in the first region is not particularly limited, but is 0.06 to 0.50 in that a piezoelectric element having more excellent effects of the present invention can be obtained. Is preferable, and 0.12-0.50 is more preferable.

本圧電体膜は、アルカリ金属を実質的に含有しないことが好ましい。アルカリ金属は、非常に拡散しやすく、圧電体膜を半導体又は電気回路に適用する場合、不良の原因となりやすい。なお、アルカリ金属を実質的に含有しないとは、本圧電体膜に含有される全金属原子に対して、アルカリ金属原子の含有量が0.1モル%以下であることを意図し、0モル%であることが好ましい。
本圧電体膜中に含有されるアルカリ金属の含有量は、エネルギー分散型蛍光X線分析により測定できる。また、上記以外にも、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析、又は、波長分散型蛍光X線分析によって測定してもよい。
The piezoelectric film preferably does not substantially contain an alkali metal. Alkali metals are very diffusive and tend to cause defects when the piezoelectric film is applied to a semiconductor or an electric circuit. Note that “substantially no alkali metal” means that the content of alkali metal atoms is 0.1 mol% or less with respect to all metal atoms contained in the piezoelectric film, and 0 mol. % Is preferred.
The content of alkali metal contained in the piezoelectric film can be measured by energy dispersive X-ray fluorescence analysis. In addition to the above, measurement may be performed by high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy or wavelength dispersive X-ray fluorescence analysis.

本圧電体膜の結晶構造としては特に制限されないが、より優れた圧電特性を有する圧電素子が得られる点で、多数の柱状結晶が、ZnO系圧電体膜の厚み方向(図1中のL方向)に配向した集合体であることが好ましい。上記のようなZnO系圧電体膜を本明細書では、柱状結晶膜ともいう。
なお、ZnO系圧電体膜において、結晶はウルツ鉱型結晶をとることが多く、このウルツ鉱型結晶は六方晶構造であり、単位胞は、1辺が格子定数aの正三角形であり、c軸方向に伸びた三角柱が6個集まって形成される。本ZnO系圧電体膜は、上記ウルツ鉱型結晶のc軸が、ZnO系圧電体膜の厚み方向(図1のT方向)に優先配向していることが好ましい。
The crystal structure of the present piezoelectric film is not particularly limited, but a large number of columnar crystals are formed in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film (the L direction in FIG. 1) in that a piezoelectric element having more excellent piezoelectric characteristics can be obtained. It is preferable that the aggregate is oriented in the following manner. In the present specification, the above ZnO-based piezoelectric film is also referred to as a columnar crystal film.
In a ZnO-based piezoelectric film, the crystal often takes a wurtzite crystal, the wurtzite crystal has a hexagonal crystal structure, and the unit cell is an equilateral triangle with a lattice constant a on one side, c Six triangular prisms extending in the axial direction are gathered and formed. In the present ZnO-based piezoelectric film, the c-axis of the wurtzite crystal is preferably preferentially oriented in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film (T direction in FIG. 1).

本圧電体膜は、より優れた圧電特性を有する点で、CuKα線を用いたout−of−plane法(2θ/ω)によるX線回折スペクトルにおいて、(002)面回折ピーク強度をI(002)、(100)面回折ピーク強度をI(100)としたとき、以下の式(1)が成り立ち、かつ、本圧電体膜のCuKα線を用いたin−plane法によるX線回折スペクトルにおいて、(100)面回折ピーク、及び、(110)面回折ピークの両方が検出されることが好ましい。
式(1) I(100)/I(002)<1.0×10−2
なお、上記X線回折スペクトルは、30〜60°の範囲にて測定される。つまり、(002)面回折ピーク、(100)面回折ピーク、及び、後述する(110)面回折ピークは、2θ:30〜60°の測定範囲において検出される。また、本明細書において、(XXX)面回折ピーク強度という場合は、(XXX)面由来のピークの回折強度の最大値を表す。
また、本明細書において、CuKα線を用いたout−of−plane法、及び、in−plane法によるX線回折スペクトルにおいて(XXX)面回折ピークとは、Powder Diffraction File番号36−1451(PDF#36−1451)に記載された純ZnOの(XXX)面回折ピークに対応する回折ピークを意図する。対応する回折ピークとは、PDF#36−1451における各面回折ピークと略同じ回折角に検出される回折ピークを意図する。具体的には、PDF#36−1451における各面回折ピークと比較して、2θが−3〜+0.5°の位置に検出されるピークを意図する。PDF#36−1451における各面回折ピークと比較して、上記ZnO系圧電体膜のピークにおける2θが正方向にシフトするのは、膜応力等によるものと推測され、負方向にシフトするのは、ZnOの結晶格子において、Znの一部がCaで置換されることによって生じる格子定数の変化に起因するものと推測される。
This piezoelectric film has superior piezoelectric characteristics, and in the X-ray diffraction spectrum by the out-of-plane method (2θ / ω) using CuKα rays, the (002) plane diffraction peak intensity is I (002 ), When the (100) plane diffraction peak intensity is I (100), the following formula (1) is satisfied, and in the X-ray diffraction spectrum by the in-plane method using CuKα rays of the piezoelectric film, It is preferable that both the (100) plane diffraction peak and the (110) plane diffraction peak are detected.
Formula (1) I (100) / I (002) <1.0 × 10 −2
In addition, the said X-ray-diffraction spectrum is measured in the range of 30-60 degrees. That is, the (002) plane diffraction peak, the (100) plane diffraction peak, and the (110) plane diffraction peak described later are detected in the measurement range of 2θ: 30 to 60 °. Moreover, in this specification, the (XXX) plane diffraction peak intensity represents the maximum value of the diffraction intensity of the peak derived from the (XXX) plane.
In this specification, in the X-ray diffraction spectrum by the out-of-plane method and the in-plane method using CuKα rays, the (XXX) plane diffraction peak is defined as Powder Diffraction File number 36-1451 (PDF # 36-1451), intended for diffraction peaks corresponding to the (XXX) plane diffraction peaks of pure ZnO. The corresponding diffraction peak means a diffraction peak detected at substantially the same diffraction angle as each surface diffraction peak in PDF # 36-1451. Specifically, a peak detected at a position where 2θ is −3 to + 0.5 ° as compared with each surface diffraction peak in PDF # 36-1451 is intended. Compared to each surface diffraction peak in PDF # 36-1451, it is estimated that 2θ at the peak of the ZnO-based piezoelectric film shifts in the positive direction due to film stress or the like, and shifts in the negative direction. In the crystal lattice of ZnO, it is presumed to be caused by a change in lattice constant caused by substitution of a part of Zn with Ca.

まず、out−of−plane法によるX線回折スペクトルにおいて、(002)面回折ピーク強度をI(002)とし、かつ、(100)面回折ピーク強度をI(100)とした場合、以下の式(1)が成り立つ状態とは、圧電体膜の厚み方向(図1のT方向)に結晶のc軸が優先配向している状態を表している。
なお、上記式(1)において、I(100)/I(002)は有効数字2桁(3桁目を四捨五入)で計算する。
また、上記式(1)において、I(100)/I(002)の下限値としては特に制限されないが、一般に、0以上が好ましい。なお、I(100)/I(002)が0である場合とは、I(100)が検出されない、すなわち検出限界以下であることを意味する。
First, in the X-ray diffraction spectrum by the out-of-plane method, when the (002) plane diffraction peak intensity is I (002) and the (100) plane diffraction peak intensity is I (100), the following formula The state in which (1) is established represents a state in which the c-axis of the crystal is preferentially oriented in the thickness direction of the piezoelectric film (T direction in FIG. 1).
In the above formula (1), I (100) / I (002) is calculated by two significant digits (the third digit is rounded off).
In the above formula (1), the lower limit of I (100) / I (002) is not particularly limited, but is generally preferably 0 or more. The case where I (100) / I (002) is 0 means that I (100) is not detected, that is, is below the detection limit.

また、ZnO系圧電体膜のCuKα線を用いたin−plane法によるX線回折スペクトルにおいて、(100)面回折ピーク、及び、(110)面回折ピークの両方が検出される状態とは、ZnO系圧電体膜の面内方向に結晶のa軸がランダム配向していることを表している。なお、(100)面回折ピーク、及び、(110)面回折ピークの両方が検出される状態とは、(100)面回折ピーク強度をIin(100)、(110)面回折ピーク強度をIin(110)、及び、(002)面回折ピーク強度をIin(002)とした場合、以下の式(3)及び式(4)が成り立つことをいう。
式(3)Iin(002)/Iin(100)<1.0×10−2
式(4)Iin(002)/Iin(110)<1.0×10−2
Moreover, in the X-ray diffraction spectrum by the in-plane method using the CuKα ray of the ZnO-based piezoelectric film, the state where both the (100) plane diffraction peak and the (110) plane diffraction peak are detected is ZnO. This shows that the a-axis of the crystal is randomly oriented in the in-plane direction of the piezoelectric film. The state in which both the (100) plane diffraction peak and the (110) plane diffraction peak are detected means that the (100) plane diffraction peak intensity is I in (100) and the (110) plane diffraction peak intensity is I. When the in (110) and (002) plane diffraction peak intensities are I in (002), it means that the following formulas (3) and (4) hold.
Formula (3) I in (002) / I in (100) <1.0 × 10 −2
Formula (4) I in (002) / I in (110) <1.0 × 10 −2

上記実施形態に係るZnO系圧電体膜においては、結晶の単位胞(ユニットセル)の体積が、純ZnOの単位胞の体積よりも大きいことが好ましい。
すなわち、以下に定義する単位胞の体積Vと、以下に定義する単位胞の体積Vとが以下の式(2)を満たすことが好ましい。
式(2) V/V>1.02
In the ZnO-based piezoelectric film according to the above-described embodiment, the volume of the crystal unit cell (unit cell) is preferably larger than the volume of the pure ZnO unit cell.
That is, it is preferable that the volume V 1 of the unit cell defined below and the volume V 0 of the unit cell defined below satisfy the following formula (2).
Equation (2) V 1 / V 0 > 1.02

ここで、単位胞の体積Vとは、ZnO系圧電体膜について、以下の方法により求められた「a軸長(ZnO系圧電体膜)」及び「c軸長(ZnO系圧電体膜)」から算出された単位胞の体積を表す。
・c軸長(ZnO系圧電体膜):CuKα線を用いたout−of−plane法によるX線回折スペクトルにおいて、(002)面回折ピークから算出されたc軸長である。
・a軸長(ZnO系圧電体膜):CuKα線を用いたin−plane法によるX線回折スペクトルにおいて、(100)面回折ピークから算出されたa軸長である。
Here, the volume V 1 of the unit cell means “a-axis length (ZnO-based piezoelectric film)” and “c-axis length (ZnO-based piezoelectric film)” determined by the following method for the ZnO-based piezoelectric film. Represents the volume of the unit cell calculated from
C-axis length (ZnO-based piezoelectric film): c-axis length calculated from the (002) plane diffraction peak in the X-ray diffraction spectrum by the out-of-plane method using CuKα rays.
A-axis length (ZnO-based piezoelectric film): an a-axis length calculated from a (100) plane diffraction peak in an X-ray diffraction spectrum by an in-plane method using CuKα rays.

また、単位胞の体積Vとは、純ZnOのCuKα線を用いたX線回折スペクトルにおいて、(002)面回折ピークから算出されたc軸長と、(100)面回折ピークから算出されたa軸長と、を用いて算出された単位胞の体積を表す。 The unit cell volume V 0 was calculated from the c-axis length calculated from the (002) plane diffraction peak and the (100) plane diffraction peak in the X-ray diffraction spectrum using CuKα rays of pure ZnO. The unit cell volume calculated using the a-axis length.

ここで、a軸長、及び、c軸長の単位はそれぞれオングストローム(「Å」、10−1nmに相当する。)であり、単位胞の体積は、Å(10−3nm)である。
また、本明細書において、純ZnOのCuKα線を用いたX線回折スペクトルとは、PDF#36−1451の回折スペクトルを意図する。
Here, the unit of the a-axis length and the c-axis length is angstrom (“に”, corresponding to 10 −1 nm), and the volume of the unit cell is Å 3 (10 −3 nm 3 ). is there.
Further, in this specification, the X-ray diffraction spectrum using pure ZnO CuKα rays means the diffraction spectrum of PDF # 36-1451.

/Vとしては、1.02を超えることが好ましく、1.04以上がより好ましい。また、V/Vの上限値としては特に制限されないが、一般に1.15以下が好ましい。 V 1 / V 0 is preferably more than 1.02, more preferably 1.04 or more. The upper limit value of V 1 / V 0 is not particularly limited, but is generally preferably 1.15 or less.

なお、V/Vが1.02を超える状態とは、ZnOの結晶格子内にCa原子が取り込まれたことによって単位胞のサイズが大きくなったことを表している。 In addition, the state where V 1 / V 0 exceeds 1.02 represents that the size of the unit cell is increased by incorporating Ca atoms into the crystal lattice of ZnO.

〔電極(第1電極及び第2電極)〕
本圧電素子は、本圧電体膜を挟んで対向する第1電極及び第2電極を有する。それぞれの電極の材料としては特に制限されず、電極用として公知の材料を使用できる。なかでも、本圧電体膜と反対側の主面に基板を有する基板付き電極の材料としては、例えば、Au、Pt、Ir、IrO、RuO、LaNiO、SrRuO、ITO(Indium Tin oxide)、及び、TiN(窒化チタン)等の金属、金属酸化物、及び、透明導電性材料、並びに、これらの組合せ等が好適に使用でき、なかでも、Irを含有することが特に好ましい。
[Electrodes (first electrode and second electrode)]
The present piezoelectric element has a first electrode and a second electrode that face each other with the present piezoelectric film interposed therebetween. The material for each electrode is not particularly limited, and known materials for electrodes can be used. In particular, examples of the material of the electrode with a substrate having a substrate on the main surface opposite to the piezoelectric film include Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , SrRuO 3 , ITO (Indium Tin oxide). ) And a metal such as TiN (titanium nitride), a metal oxide, a transparent conductive material, a combination thereof, and the like can be preferably used, and it is particularly preferable to contain Ir.

一方、本圧電体膜と反対側の主面に基板を有さない電極の材料としては特に制限されず、公知の材料を用いることができる。上記の電極の材料としては、例えば、基板付き電極の電極用材料として説明した材料、Al、Ta、Cr、及び、Cu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極用材料、及び、これらの組合せが挙げられる。
なお、2つの電極のそれぞれの厚みとしては特に制限されないが、一般に、50〜500nmが好ましい。
On the other hand, the material of the electrode having no substrate on the main surface opposite to the piezoelectric film is not particularly limited, and a known material can be used. Examples of the material for the electrode include, for example, the materials described as the electrode material for the electrode with a substrate, the electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ta, Cr, and Cu, and these The combination of these is mentioned.
The thickness of each of the two electrodes is not particularly limited, but is generally preferably 50 to 500 nm.

〔基板〕
本実施形態に係る圧電素子は基板を有してもよい。基板としては特に制限されず、公知の基板を用いることができる。基板としては、例えば、有機基板、及び、無機基板が挙げられる。
有機基板としては典型的には樹脂基板が挙げられ、樹脂基板の材料としては、PET(Polyethylene terephthalate)、及び、ポリイミド等が挙げられる。
無機基板としては、金属基板も挙げられる。また、無機基板の材料としては、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ:Yttria−stabilized zirconia)、SrTiO、アルミナ、サファイヤ、及び、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。
また、基板としては、シリコン上にSiO膜とSi活性層とが順次積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板等の積層基板を用いてもよい。
〔substrate〕
The piezoelectric element according to this embodiment may have a substrate. The substrate is not particularly limited, and a known substrate can be used. Examples of the substrate include an organic substrate and an inorganic substrate.
A typical example of the organic substrate is a resin substrate, and examples of the material of the resin substrate include PET (Polyethylene terephthalate) and polyimide.
Examples of the inorganic substrate include a metal substrate. Examples of the material of the inorganic substrate include substrates such as silicon, glass, stainless steel, yttrium-stabilized zirconia (YSZ), SrTiO 3 , alumina, sapphire, and silicon carbide.
Further, as the substrate, a laminated substrate such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a SiO 2 film and a Si active layer are sequentially laminated on silicon may be used.

ZnO系圧電体膜の厚みとしては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有するZnO系圧電体膜が得られる点で、20〜10000nmが好ましく、100〜2000nmがより好ましい。
ZnO系圧電体膜が20nm以上であると、ZnO系圧電体膜は島状となりにくく、連続膜が得られやすい。また、下部電極として用いる電極材料に対しても同様に良好な連続膜が得られやすい。また、電極の厚みと比較して圧電体膜が十分に厚ければ、ZnO系圧電体膜は、より優れた圧電性能を有する。
また、ZnO系圧電体膜が10000nm以下であると、膜応力が大きくなりすぎないため、ZnO系圧電体膜が電極から剥離しにくい。
Although it does not restrict | limit especially as thickness of a ZnO type piezoelectric material film, 20-10000 nm is preferable and 100-2000 nm is more preferable at the point from which the ZnO type piezoelectric material film which has the more excellent effect of this invention is obtained.
When the ZnO-based piezoelectric film is 20 nm or more, the ZnO-based piezoelectric film is unlikely to be island-shaped and a continuous film is easily obtained. Similarly, a good continuous film is easily obtained for the electrode material used as the lower electrode. Further, if the piezoelectric film is sufficiently thick as compared with the thickness of the electrode, the ZnO-based piezoelectric film has more excellent piezoelectric performance.
If the ZnO-based piezoelectric film is 10000 nm or less, the film stress does not increase excessively, so that the ZnO-based piezoelectric film is difficult to peel from the electrode.

本実施形態に係る圧電素子は、様々な用途に用いることができる。典型的には、本実施形態に係る圧電素子はセンサ又はアクチュエータとして用いることができ、具体的には、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、及び、コントローラ等に用いることができる。   The piezoelectric element according to this embodiment can be used for various applications. Typically, the piezoelectric element according to the present embodiment can be used as a sensor or an actuator, and specifically, can be used for a wearable device, a touch pad, a display, a controller, and the like.

[圧電素子の製造方法]
本圧電素子の製造方法としては特に制限されないが、典型的には、以下の工程をこの順に有することが好ましい。
・工程A:第1電極上にZnO系圧電体膜を形成する工程
・工程B:形成したZnO系圧電体膜上に第2電極を形成する工程
なお、工程Aは、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、含有モル比Rが増加する第1領域を形成する工程を含む。
更に、本圧電素子の製造方法としては、上記工程Aの前に、基板上に第1電極を形成する工程(工程C)、又は、工程Bの後に、第1電極若しくは第2電極のZnO系圧電体膜とは反対側の表面上に基板を貼付する工程(工程D)を有してもよい。
以下では、工程ごとにその形態を説明する。
[Piezoelectric element manufacturing method]
Although it does not restrict | limit especially as a manufacturing method of this piezoelectric element, Typically, it is preferable to have the following processes in this order.
-Step A: Step of forming a ZnO-based piezoelectric film on the first electrode-Step B: Step of forming a second electrode on the formed ZnO-based piezoelectric film Note that Step A is performed from the first electrode to the second. Forming a first region in which the content molar ratio R increases along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film facing the electrode.
Furthermore, as a manufacturing method of the present piezoelectric element, the step of forming the first electrode on the substrate (step C) before the step A or the step B after the step B, the ZnO-based first electrode or the second electrode. You may have the process (process D) which affixes a board | substrate on the surface on the opposite side to a piezoelectric material film.
Below, the form is demonstrated for every process.

・工程A
工程Aは、第1電極上にZnO系圧電体膜を形成する工程である。第1電極上にZnO系圧電体膜を形成する方法としては特に制限されず、後述する、第1領域を形成できれば、公知の方法が使用できる。ZnO系圧電体膜を形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、及び、PLD(Pulsed Laser Deposition)法等の気相成長法;ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法;エアロゾルデポジション法;等が挙げられる。
なかでも、形成条件をより制御しやすい点で気相成長法が好ましい。また、気相成長法によれば、形成時にZnO系圧電体膜に横スジが発生するのを抑制でき、より耐久性の高いZnO系圧電体膜が得られる。
・ Process A
Step A is a step of forming a ZnO-based piezoelectric film on the first electrode. The method for forming the ZnO-based piezoelectric film on the first electrode is not particularly limited, and a known method can be used as long as the first region described later can be formed. As a method of forming a ZnO-based piezoelectric film, for example, a sputtering method, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, or the like. A liquid phase method such as a sol-gel method and an organometallic decomposition method; an aerosol deposition method; and the like.
Among these, the vapor phase growth method is preferable because the formation conditions are more easily controlled. Moreover, according to the vapor phase growth method, it is possible to suppress the occurrence of lateral streaks in the ZnO-based piezoelectric film during formation, and a more durable ZnO-based piezoelectric film can be obtained.

気相成長法による圧電体膜等の形成方法としては特に制限されないが、典型的には、基板(又は仮基板)とターゲットとを対向させて、プラズマを用いて基板(又は仮基板)上にターゲットの構成元素を含有する膜を形成する方法が挙げられる。   A method for forming a piezoelectric film or the like by vapor phase growth is not particularly limited, but typically, the substrate (or temporary substrate) and a target are opposed to each other on the substrate (or temporary substrate) using plasma. The method of forming the film | membrane containing the structural element of a target is mentioned.

気相成長法としては、例えば、2極スパッタリング法、3極スパッタリング法、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法(RF:Radio Frequencyスパッタリング法)、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法、パルススパッタリング法、及び、イオンビームスパッタリング法等が挙げられる。
なかでも、気相成長法としては、スパッタリング法(特に高周波スパッタリング法が好ましい)、イオンプレーティング法、又は、プラズマCVD法が好ましく、スパッタリング法が好ましい。
ZnO系圧電体膜の形成方法がスパッタリング法であると、得られるZnO系圧電体膜は、柱状結晶膜になりやすい。すなわち、ZnO系圧電体膜中で、結晶粒が圧電体膜の厚み方向(図1のL方向)にc軸配向した柱状結晶の集合体となりやすい。
スパッタリング法による成膜では、柱状結晶膜が形成されやすいため、単結晶膜で用いられるような高価な基板(例えば、サファイヤ基板等)を用いる必要がない点も優れている。
Examples of the vapor phase growth method include a bipolar sputtering method, a tripolar sputtering method, a direct current sputtering method, a radio frequency sputtering method (RF: Radio Frequency Sputtering method), an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method, a magnetron sputtering method, and a counter target. Examples thereof include a sputtering method, a pulse sputtering method, and an ion beam sputtering method.
Among these, as the vapor phase growth method, a sputtering method (especially a high frequency sputtering method is preferable), an ion plating method, or a plasma CVD method is preferable, and a sputtering method is preferable.
When the formation method of the ZnO-based piezoelectric film is a sputtering method, the obtained ZnO-based piezoelectric film tends to be a columnar crystal film. That is, in the ZnO-based piezoelectric film, it tends to be an aggregate of columnar crystals in which crystal grains are c-axis oriented in the thickness direction of the piezoelectric film (L direction in FIG. 1).
In the film formation by the sputtering method, since a columnar crystal film is easily formed, it is excellent in that it is not necessary to use an expensive substrate (for example, a sapphire substrate) used for a single crystal film.

上記工程Aは、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、含有モル比Rが増加する第1領域を形成する工程を含む。上記ZnO系圧電体膜中に第1領域を形成する方法としては、少なくともCaを含有するターゲット(含CaOターゲット)に対する印加電力を増加させるスパッタリング法が好ましい。
含CaOターゲットとしては特に制限されないが、CaO、及び、Zn1−xCaO(但し、0<X<1)等が挙げられる。
典型的には、上記ZnO系圧電体膜の形成方法としては、含CaターゲットとしてCaOを用い、上記以外のターゲットとしてZnOを併用する方法が挙げられる。上記方法により第1領域を形成する場合、CaOターゲットに対する印加電力を増加させるか、又は、ZnOターゲットに対する印加電力を減少させ(相対的にCaOターゲットに対する印加電圧を漸増させ)ればよい。なかでもより効率的に第1領域を形成できる点で、CaOターゲットに対する印加電力を増加させるのが好ましい。
なお、印加電力を増加する方法としては特に制限されないが、段階的に印加電力を大きくする方法が好ましい。
この場合、CaOターゲットに対する印加電力の増加率(電力印加時間に対する印加電力の大きさの変化量)としては特に制限されず、ZnO系圧電体膜の厚みに対する含有モル比Rの増加率を所望の範囲に制御できるよう、適宜調整すればよい。
The step A includes a step of forming a first region in which the content molar ratio R increases along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. As a method of forming the first region in the ZnO-based piezoelectric film, a sputtering method that increases the applied power to a target (Ca-containing target) containing at least Ca is preferable.
It is not particularly limited as containing CaO target, CaO, and, Zn 1-x Ca x O ( where, 0 <X <1), and the like.
Typically, as a method for forming the ZnO-based piezoelectric film, there is a method in which CaO is used as a Ca-containing target and ZnO is used in combination as a target other than the above. When the first region is formed by the above method, the applied power to the CaO target may be increased, or the applied power to the ZnO target may be decreased (relatively increasing the applied voltage to the CaO target). In particular, it is preferable to increase the power applied to the CaO target in that the first region can be formed more efficiently.
The method of increasing the applied power is not particularly limited, but a method of increasing the applied power stepwise is preferable.
In this case, the increase rate of the applied power to the CaO target (the amount of change in the magnitude of the applied power with respect to the power application time) is not particularly limited, and the increase rate of the content molar ratio R with respect to the thickness of the ZnO-based piezoelectric film can be set as desired. What is necessary is just to adjust suitably so that it can control to the range.

なお、上記は、第1領域を有するZnO系圧電体膜を形成する方法の一例であり、第1領域を有するZnO系圧電体膜を形成としては上記に制限されず、形成時の条件(ターゲットと基板との距離、及び、圧力)等を適宜調整又は変化させる方法も使用できる。   The above is an example of a method for forming a ZnO-based piezoelectric film having a first region, and the formation of a ZnO-based piezoelectric film having a first region is not limited to the above, and the conditions at the time of formation (target A method of appropriately adjusting or changing the distance between the substrate and the substrate and the pressure) can also be used.

上記工程Aは、第1電極から第2電極に向かうZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、第1領域における含有モル比Rの最大値を略一定に維持する、第2領域を形成する工程を含むことが好ましい。
第2領域を形成する工程としては特に制限されず、公知の方法を使用できる。例えば、上記で説明したCaOターゲット及びZnOターゲットを併用するスパッタリング法の場合、例えば、第1領域終了時のCaOターゲットに対する印加電圧を維持し、印加電圧を略一定とする方法が好ましい。
この場合、CaOターゲットとZnOターゲットに対するそれぞれの印加電力は、第2領域における含有モル比Rが所望の値となるよう適宜調整すればよい。
The step A forms a second region that maintains the maximum content molar ratio R in the first region substantially constant along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. It is preferable to include a process.
The step of forming the second region is not particularly limited, and a known method can be used. For example, in the case of the sputtering method using both the CaO target and the ZnO target described above, for example, a method of maintaining the applied voltage to the CaO target at the end of the first region and making the applied voltage substantially constant is preferable.
In this case, the applied power to the CaO target and the ZnO target may be adjusted as appropriate so that the molar ratio R in the second region becomes a desired value.

・工程B
工程Bは、形成したZnO系圧電体膜上に第2電極を形成する工程であり、その方法としては特に制限されず、公知の方法が使用できる。第2電極を形成する工程としては、例えば、スパッタリング法、プラズマCVD法、MOCVD法、及び、PLD法等の気相成長法;ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法;エアロゾルデポジション法;等が挙げられ、簡便に第2電極を形成できる点で気相成長法が好ましい。
・ Process B
Step B is a step of forming the second electrode on the formed ZnO-based piezoelectric film, and the method is not particularly limited, and a known method can be used. Examples of the step of forming the second electrode include vapor phase growth methods such as sputtering, plasma CVD, MOCVD, and PLD; liquid phase methods such as sol-gel method and organometallic decomposition method; aerosol deposition method The vapor phase growth method is preferable in that the second electrode can be easily formed.

・工程C
工程Cは、工程Aの前に基板上に第1電極を形成する工程である。基板上に第1電極を形成する工程としては特に制限されず、工程Bにおいて、ZnO系圧電体膜上に第2電極を形成するのと同様の方法が使用できる。なお、基板上に第1電極を形成する前に、更に基板上にプライマー層を形成し、次いで、上記プライマー層上に第1電極を形成してもよい。
・ Process C
Step C is a step of forming the first electrode on the substrate before Step A. The step of forming the first electrode on the substrate is not particularly limited, and the same method as that for forming the second electrode on the ZnO-based piezoelectric film can be used in Step B. In addition, before forming the first electrode on the substrate, a primer layer may be further formed on the substrate, and then the first electrode may be formed on the primer layer.

・工程D
工程Dは、工程Bの後に、第1電極又は第2電極のZnO系圧電体膜とは反対側の表面に基板を貼付する工程である。本圧電素子の製造方法が工程Dを有する場合、工程Aの前に、更に、仮基板上に第1電極を形成する工程と、工程Bの後であって工程Dの前に、第1電極から仮基板を除去する工程を更に有していてもよい。
なお、仮基板としては特に制限されず、公知の仮基板が使用できる。仮基板としては、例えば圧電素子が有する基板として既に説明したものを使用できる。
また、圧電素子の製造方法が工程Dを有し、かつ、工程Aの前に仮基板上に第1電極を形成する工程と、工程Bの跡であって工程Dの前に第1電極から仮基板を除去する工程とを有する場合、基板としては、樹脂基板を用いるのが好ましい。樹脂基板上に例えばスパッタリング法によって直接に第1電極を形成する場合と比較して、樹脂基板の劣化をより抑制することができる。
・ Process D
Step D is a step of attaching a substrate to the surface of the first electrode or the second electrode opposite to the ZnO-based piezoelectric film after Step B. When the manufacturing method of this piezoelectric element has the process D, before the process A, the process of forming a 1st electrode on a temporary board | substrate, and after the process B and before the process D, the 1st electrode A step of removing the temporary substrate from the substrate may be further included.
The temporary substrate is not particularly limited, and a known temporary substrate can be used. As a temporary board | substrate, what was already demonstrated as a board | substrate which a piezoelectric element has, for example can be used.
In addition, the piezoelectric element manufacturing method includes the step D, and the step of forming the first electrode on the temporary substrate before the step A, the trace of the step B, and from the first electrode before the step D. And a step of removing the temporary substrate, it is preferable to use a resin substrate as the substrate. Compared with the case where the first electrode is directly formed on the resin substrate by, for example, sputtering, deterioration of the resin substrate can be further suppressed.

以下に実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、及び、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the examples shown below.

(実施例1)
表面に熱酸化膜(厚み:300nm)を有する厚み625μmのSi基板(基板に該当する)上に、スパッタ装置を用いて、Ti(20nm)/Ir(150nm)の下部電極(第1電極に該当する)を作製して電極付き基板を得た。
Example 1
On a Si substrate (corresponding to the substrate) having a thermal oxide film (thickness: 300 nm) on the surface, a lower electrode (corresponding to the first electrode) of Ti (20 nm) / Ir (150 nm) using a sputtering apparatus To obtain a substrate with electrodes.

次に、この電極付き基板上に、ターゲットとして、ZnO(φ100)及びCaO(φ100)を用い、ZnOに対する印加電力を250Wとし、CaOに対する印加電力を0〜400Wまで、20Wずつ順次増加させて、第1領域を形成した。次に、CaOターゲットに対する印加電力を400Wで保持し、膜みが500nmに達するまでZnO系圧電体膜を形成した。このとき、ZnO系圧電体膜の形成には、アルバック社製スパッタ装置MPS−6000を用いた。なお、O/(Ar+O)=16%、チャンバ内の圧力は、0.2Pa(チャンバの圧力)だった。得られたZnO系圧電体膜上に、上部電極(第2電極に該当する)を形成し、実施例1の圧電素子を得た。 Next, on this substrate with electrodes, ZnO (φ100) and CaO (φ100) are used as targets, the applied power to ZnO is 250 W, and the applied power to CaO is sequentially increased from 0 to 400 W by 20 W, A first region was formed. Next, the power applied to the CaO target was kept at 400 W, and a ZnO-based piezoelectric film was formed until the film thickness reached 500 nm. At this time, a sputtering apparatus MPS-6000 manufactured by ULVAC was used for the formation of the ZnO-based piezoelectric film. O 2 / (Ar + O 2 ) = 16%, and the pressure in the chamber was 0.2 Pa (chamber pressure). An upper electrode (corresponding to the second electrode) was formed on the obtained ZnO-based piezoelectric film, and the piezoelectric element of Example 1 was obtained.

(比較例1及び2)
ZnOターゲット及びCaOターゲットに対する印加電力をそれぞれ一定とし、それぞれの印加電力を、ZnO系圧電体膜における含有モル比Rの平均値が表1に記載したとおりとなるよう調整したことを除いては、実施例1と同様にして、比較例1及び2の圧電素子を形成した。
(Comparative Examples 1 and 2)
Except that the applied power to each of the ZnO target and the CaO target was made constant, and each applied power was adjusted so that the average value of the molar ratio R contained in the ZnO-based piezoelectric film was as shown in Table 1. In the same manner as in Example 1, the piezoelectric elements of Comparative Examples 1 and 2 were formed.

実施例及び比較例で作製したZnO系圧電体膜の組成をエネルギー分散型蛍光X線分析したところ、ZnO系圧電体膜中におけるモル基準のCaの含有量とZnの含有量の和に対する、モル基準のCaの含有量の含有モル比R(MCa/(MCa+MZn))の平均値は表1に記載したとおりだった。 Energy dispersive X-ray fluorescence analysis was performed on the compositions of the ZnO-based piezoelectric films prepared in Examples and Comparative Examples. As a result, the molar ratio of the Ca content and the Zn content in the ZnO-based piezoelectric film to the sum of the molar contents The average value of the content molar ratio R ( MCa / ( MCa + MZn )) of the reference Ca content was as described in Table 1.

X線回折測定は、40kV、40mAのCuKα線管球を有するリガク社製「Ultima III」を用いた。out−of−plane法は、一般的な2θ/ω法により測定した。in−plane法は、入射角ω=0.2°、反射角θ=0.2°とし、一般的な2θχ/φ測定にて測定した。   For the X-ray diffraction measurement, “Ultima III” manufactured by Rigaku Corporation having a 40 kV, 40 mA CuKα ray tube was used. The out-of-plane method was measured by a general 2θ / ω method. In the in-plane method, an incident angle ω = 0.2 ° and a reflection angle θ = 0.2 ° were set, and measurement was performed by general 2θχ / φ measurement.

ZnO系圧電体膜の各回折面は、PDF#36−1451(純ZnOのX線回折スペクトル)に基づいて同定した。測定範囲30〜60°では、純ZnOの場合、(100)面、(002)面、(101)面、(102)面、及び、(110)面のピークが出現し、配向性の有無によって一部出現しないピークがある。   Each diffraction surface of the ZnO-based piezoelectric film was identified based on PDF # 36-1451 (X-ray diffraction spectrum of pure ZnO). In the measurement range of 30 to 60 °, in the case of pure ZnO, peaks of (100) plane, (002) plane, (101) plane, (102) plane, and (110) plane appear, depending on the presence or absence of orientation. Some peaks do not appear.

実施例及び比較例のout−of−plane法、及び、in−plane法のX線回折スペクトルから、いずれも、ほぼ(002)面回折ピークのみが出現しており、結晶がc軸に優先配向した膜であることがわかった。また、in−plane法の測定結果からいずれも、(100)面及び(110)面双方の回折ピークが見られたことから、単結晶膜(エピタキシャル膜)ではなく、面内方向はランダムの結晶粒の集合体であることが示された。
また、実施例及び比較例のZnO系圧電体膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ZnO系圧電体膜は、柱状結晶の集合体(柱状結晶膜)であり、等方的な粒子、及び、結合層といった、耐圧及び機械的特性が低い箇所は見られなかった。
From the X-ray diffraction spectra of the out-of-plane method and the in-plane method of the examples and comparative examples, almost only the (002) plane diffraction peak appears, and the crystal is preferentially oriented on the c-axis. It was found to be a film. In addition, since the diffraction peaks of both the (100) plane and the (110) plane were observed from the measurement results of the in-plane method, the in-plane direction was not a single crystal film (epitaxial film) but a random crystal in the in-plane direction. It was shown to be an aggregate of grains.
In addition, when the cross sections of the ZnO-based piezoelectric films of Examples and Comparative Examples were observed with a transmission electron microscope, the ZnO-based piezoelectric film was an aggregate of columnar crystals (columnar crystal film), and isotropic particles In addition, a portion having a low pressure resistance and mechanical characteristics such as a bonding layer was not found.

また、X線回折スペクトルから求めたa軸長、及び、c軸長から計算した単位胞の体積、及び、PDF#36−1451(純ZnOのX線回折スペクトル)から求めた単位胞の体積との比を表1に示した。   Further, the volume of the unit cell calculated from the a-axis length and the c-axis length obtained from the X-ray diffraction spectrum, and the volume of the unit cell obtained from PDF # 36-1451 (X-ray diffraction spectrum of pure ZnO) The ratio is shown in Table 1.

[圧電定数の測定]
次に、ZnO系圧電体膜上にスパッタで上部電極を成膜し圧電素子を得た。次に、上記圧電素子を2mm×25mmの短冊状に切断して、カンチレバーを作製し、I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い圧電定数を測定した。印加電圧は、1Vpp・2Vpp・4Vppで2kHzのサイン波を印加し、いずれの電圧測定でも、各測定結果のうち最大値及び最小値と、測定値の算術平均と差が、測定値の算術平均の±3%以内となることを確認し、平均値を測定結果とした。なお、測定結果は、比較例2の圧電素子の測定結果を1.0として、比率により示した。数値が大きいほうがより優れた圧電特性を有する圧電素子であることを示す。
[Measurement of piezoelectric constant]
Next, an upper electrode was formed on the ZnO-based piezoelectric film by sputtering to obtain a piezoelectric element. Next, the piezoelectric element was cut into a 2 mm × 25 mm strip to produce a cantilever. Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107 (2003) 68. The piezoelectric constant was measured according to the method described in 1. The applied voltage is 1 Vpp, 2 Vpp, 4 Vpp, and a 2 kHz sine wave is applied. In any voltage measurement, the maximum and minimum values of each measurement result, the arithmetic average of the measured values, and the difference between them are the arithmetic average of the measured values. The average value was taken as the measurement result. In addition, the measurement result was shown by the ratio by setting the measurement result of the piezoelectric element of Comparative Example 2 to 1.0. A larger numerical value indicates a piezoelectric element having more excellent piezoelectric characteristics.

表1に記載した結果から、実施例1の圧電素子は、本発明の効果を有していた。一方、比較例1及び比較例2の圧電素子は、本発明の効果を有していなかった。   From the results shown in Table 1, the piezoelectric element of Example 1 had the effect of the present invention. On the other hand, the piezoelectric elements of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 did not have the effect of the present invention.

10 圧電素子
11 基板
12 第1電極
13 ZnO系圧電体膜
14 第2電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric element 11 Board | substrate 12 1st electrode 13 ZnO type piezoelectric material film | membrane 14 2nd electrode

Claims (10)

Caを含有するZnO系圧電体膜と、
前記ZnO系圧電体膜を挟んで対向する、第1電極及び第2電極と、を有し、
前記第1電極から前記第2電極に向かう前記ZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、Caの含有量とZnの含有量との和に対するCaの含有量の含有モル比Rが増加する第1領域を、前記ZnO系圧電体膜が有する、圧電素子。
A ZnO-based piezoelectric film containing Ca;
A first electrode and a second electrode facing each other with the ZnO-based piezoelectric film interposed therebetween,
The content molar ratio R of the Ca content to the sum of the Ca content and the Zn content increases along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. A piezoelectric element, wherein the ZnO-based piezoelectric film has one region.
前記ZnO系圧電体膜が、前記第1電極から前記第2電極に向かう前記ZnO系圧電体膜の厚み方向に向かって、前記第1領域における前記含有モル比Rの最大値を略一定に維持する、第2領域を有する、請求項1に記載の圧電素子。   The ZnO-based piezoelectric film maintains the maximum value of the contained molar ratio R in the first region substantially constant in the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The piezoelectric element according to claim 1, further comprising a second region. 前記ZnO系圧電体膜において、前記含有モル比Rの平均値が、0.12〜0.50である、請求項1又は2に記載の圧電素子。   3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein in the ZnO-based piezoelectric film, an average value of the content molar ratio R is 0.12 to 0.50. 前記第1領域における前記含有モル比Rの最小値と最大値との差が、0.06〜0.50である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein a difference between a minimum value and a maximum value of the content molar ratio R in the first region is 0.06 to 0.50. 前記第1電極の前記ZnO系圧電体膜側とは反対側の表面上、又は、前記第2電極の前記ZnO系圧電体膜側とは反対側の表面上に、更に、基板を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子。   A substrate is further provided on the surface of the first electrode opposite to the ZnO-based piezoelectric film side or on the surface of the second electrode opposite to the ZnO-based piezoelectric film side. Item 5. The piezoelectric element according to any one of Items 1 to 4. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法であって、
第1電極上にZnO系圧電体膜を形成する工程Aと、形成した前記ZnO系圧電体膜上に第2電極を形成する工程Bと、を有し、
前記工程Aが、前記第1電極から前記第2電極に向かう前記ZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、Caの含有量とZnの含有量の和に対するCaの含有量の含有モル比Rが増加する第1領域を形成する工程を有する、圧電素子の製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5,
A step A of forming a ZnO-based piezoelectric film on the first electrode, and a step B of forming a second electrode on the formed ZnO-based piezoelectric film,
In step A, along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode, the molar ratio R of the Ca content to the sum of the Ca content and the Zn content is R. The manufacturing method of a piezoelectric element which has the process of forming the 1st area | region which increases.
前記工程Aにおいて、前記第1領域が、少なくともCaを含有するターゲットに対する印加電力を増加させるスパッタリング法により形成される、請求項6に記載の圧電素子の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 6, wherein in the step A, the first region is formed by a sputtering method for increasing an applied power to a target containing at least Ca. 前記工程Aが、前記第1電極から前記第2電極に向かう前記ZnO系圧電体膜の厚み方向に沿って、前記第1領域における前記含有モル比Rの最大値を略一定に維持する、第2領域を形成する工程を含む、請求項6又は7に記載の圧電素子の製造方法。   In the step A, the maximum value of the content molar ratio R in the first region is maintained substantially constant along the thickness direction of the ZnO-based piezoelectric film from the first electrode toward the second electrode. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 6, comprising a step of forming two regions. 前記第2領域が、少なくともCaを含有するターゲットに対する印加電力を略一定とするスパッタリング法により形成される、請求項8に記載の圧電素子の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 8, wherein the second region is formed by a sputtering method in which an applied power to a target containing at least Ca is substantially constant. 更に、前記工程Aの前に、基板上に前記第1電極を形成する工程を有するか、又は、前記工程Bの後に、前記第1電極、若しくは、前記第2電極の前記ZnO系圧電体膜とは反対側の表面上に基板を貼付する工程を有する、請求項6〜9のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
Further, the step of forming the first electrode on the substrate before the step A, or the step of forming the ZnO-based piezoelectric film of the first electrode or the second electrode after the step B. The manufacturing method of the piezoelectric element as described in any one of Claims 6-9 which has the process of sticking a board | substrate on the surface on the opposite side to.
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